运用高压技术设计和研制超导材料新体系

本文介绍运用高压技术发现的几类超导材料新体系,包括(1)顶角氧有序型(简称"顶角氧"系)、Cu12(n-1)n(简称"铜系")和Cl2(n-1)n(简称"卤系")等3类铜基超导材料体系:它们只含铜和碱土氧化物,是构成铜基超导的最简单组分;这些体系在常压的超导温度(T_c)可媲美Y123、Bi系、Hg系等组分复杂的铜基超导材料,"铜系"的T_c可高达123 K,Cl212是第1个含卤素的液氮温区超导体;"顶角氧"有序化将同结构的铜基超导材料的转变温度提高1倍以上,刷新了单层铜氧面结构铜基超导材料的Tc记录;新体系的高温载流特性名列前茅,"铜系"在液氮温区的临界电流特性优于Bi系、Hg系,与Y123相当.(2)铁基超导材料主要体系之一的"111"体系:"111"体系组分结构简单,易于揭示铁基超导核心要素.它的解离面无极性,表面和体态结果严格一致,为通过角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)等先进表征技术揭示铁基超导的本征物性提供了理想结构载体.主要成员LiFeAs具有无Fermi面嵌套的重要特征,表明Fermi面嵌套并非实现铁基超导必要条件,扭转了此前基于铁基其他体系的费米面嵌套对机理的流行认识.(3)Bi_2Te_3拓扑化合物超导体:实现无需化学掺杂引入载流子,揭示了国际上首个压力诱导的拓扑化合物超导.

组分简单环境友好的铜基高温超导材料:“铜系”

铜基高温超导材料是目前唯一能在常压环境实现液氮温区超导的物质,对其深入认识入选Science发布的125个重大科学问题之一,具有重要的科学价值和巨大的应用开发前景.为了合成铜基超导材料,通常需要引入重金属元素如稀土、Bi、Tl和Hg等昂贵、易挥发或有毒元素以稳定基本结构,这些体系相应称为"钇系"、"铋系"、"铊(汞)系"铜基超导材料.探索组分简单环境友好且在液氮温区超导性能优良的新体系,是超导新材料研发的前沿和重大挑战.本文基于铜基超导材料结构特点,通过介绍运用高压高温合成技术研制钙钛矿型功能材料的优势,重点讨论作者参与设计发现的Cu12(n–1)n(简称"铜系")铜基超导材料体系."铜系"只含铜和碱土氧化物,这是构成铜基超导材料最简单的成分,组分经济环境友好.如同人造金刚石一样,"铜系"块体材料虽然需高压高温合成,但在常压条件能够保持结构稳定,本文讨论的性能都是常压条件测量."铜系"具有独特的全钙钛矿型构型,呈现强的层间耦合,常压超导特性优良:(1)起始超导转变温度(T_c )可达120 K以上,高于"铋系"超导材料,仅次于常压T_c 最高的铜基Hg1223超导体;(2)在液氮温区临界电流密度特性优于"铋系"铜基超导材料,可媲美综合性能最好的"钇系"铜基超导材料,(3)成分只有碱土和铜氧化物,环境友好不含有毒元素,且在空气环境中可保持性能长期稳定.