哈佛大学：超导体新进展！铜基高温超导体中材料依赖性的机制

对于高温超导体，“高”是一个相对术语。 在超导性领域，“高温”是指任何超过30开氏度（K）或405华氏度（F）的超导材料。

第一个高温超导体是在1986年发现的，铜和氧的陶瓷化合物被称为铜酸盐。 这些材料可以在35开氏度或-396.67华氏度温度下达到超导电性。 在接下来的几十年中，温度限制增加，迄今为止，研究人员已经在温度高达135开氏度的铜酸盐中实现了超导性。

可以肯定的是，这是一个重要的进步，但需要以300开氏度运行的室温超导性，虽然不是不可能实现，但仍然有很长的路要走。

最大的障碍之一是研究人员仍然不了解铜酸盐超导的整个潜在机制以及铜酸盐化合物中超导转变温度存在这种变化的原因。

现在，哈佛大学约翰•保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员可能会得到答案。 由SEAS材料科学助理教授Xin Li领导的研究人员发现，铜酸盐化合物中特定化学键的强度会影响材料达到超导性的温度。

该研究发表在Physical Review Letters上。

Li说“这可能是设计具有高温超导性的材料的新起点，我们的研究揭示了铜酸盐复杂现象的一个关键组成部分，并指出了我们在材料设计方面的一个新的令人兴奋的方向。”

所有铜酸盐都具有相同的结构构建块 - 过氧化铜（CuO2）的层状平面，具有面外氧离子，称为顶端氧。这种氧离子位于CuO2平面中的每个铜原子上方，就像水面上的浮标一样。铜酸盐化合物之间的关键区别在于其他元素附着在氧气浮标上。该元素被称为顶端阳离子，并且可以是多种元素，包括镧，铋，铜或汞。

材料变得超导的温度根据使用的元素而变化，但没有人知道原因。

通过比较模拟和实验，Li和他的团队证明了关键是顶端阳离子和顶端氧之间的结合 - 化学键越强，材料变得超导的温度越高。

但为什么这种键会提高超导温度呢？

超导体通常被描述为电子高速公路或超级拼车车道，其中成对的电子是汽车，超导材料是汽车移动的特殊，无摩擦的道路。

然而，电子并不像公路上的汽车那样真正穿过高温超导体。 相反，他们跳。 当电子在其上移动的晶格以特定方式振荡时，这种跳跃过程变得更加容易。

顶端阴离子和顶端阳离子之间的强化学键增加了晶格和感应电流的振荡。

想象一下，一只风筝绑在一个浮标上，许多这样的风筝浮标排成一列。 如果风筝和浮标之间的结合很强，风筝可以上下拉动浮标，在水中产生涟漪和飞溅。 涟漪类似于晶格振荡，而涟漪代表被推出CuO2平面的电子。 涟漪和飞溅并不是混乱的，相反，他们遵循一定的规则来合作，告诉人们如何以最好的方式振荡，以帮助电子沿着材料轻松跳跃。

Li说“我们证明了这种结构单元 - 铜氧层，顶端阴离子和顶端阳离子 - 是一种可以动态耦合以控制材料超导特性的基本构件，这开辟了探索材料超导特性的全新途径。”

接下来，研究人员将要继续探索这种新颖的效应如何影响我们对高温超导体中神秘相图的理解，包括这些超导体中的配对机制。

这项研究由博士后Sooran Kim博士和研究生Xi Chen和William Fitzhugh在Xin Li教授的小组中共同撰写。 它得到了极端科学和工程发现环境（XSEDE）的计算资源以及哈佛大学研究计算组FAS科学部的Odyssey 群的支持。