超導的案例
降維超導、堆砌如花
引子
超導物理及材料，是量子材料和凝聚態物理的高地，雖歷經近百年卻經久不衰。她的內在和外貌都很高美，只是看起來有些冷若冰霜、有些陽春白雪而不夠下里巴人。所以，凡夫俗子好像開始感到不那么耐煩，就像耳邊聽到的話重復太多而起了繭子。關于超導的故事，我們講得很多了，也講得很好了。盡管如此，請看君了解，超導物理的確是、毫無疑義是多維的、色彩斑斕的。我們的生活、特別是我們的物理生活，如果沒有超導，會變得有些乏味、無聊及至無趣。這樣說，并非要看輕物理學其他學科，但超導的確很明月、很故鄉、很天上人間、很前無古后無來。這些絮語的堆砌，好吧，還會繼往開來。
繼往開來的荊棘之路有一條乃二維超導研究。這一領域似乎正方興未艾，此時也是各路大家各顯身手、諸位看官目不暇接的季節?！?em>超導維度、超越維度》一文以舉重若輕之態、以春風渡越之儀，從歷史到現狀、從材料到物理，對維度這個幽靈如何侵入超導物理進行了精彩描繪，在此不再贅述。只有一點，文中提到二維超導體系的各種制備手段時，既介紹了精準無比、有著原子噴墨打印機美譽的分子束外延 (MBE) 薄膜生長技術，也盛情稱贊了大巧不工、重劍無鋒的膠帶紙手撕單層材料的傳奇。筆者以為，山外有山、技外有技，除此之外還有一些枝葉尚可聞香觀賞，而這恰是本篇故事的起筆之處。
筆者想說的是，二維材料乃至二維超導的風月，豈能少了化學家的筆墨？傳統超導人大多具有物理背景，除了那些高大上的超級技術之外，他們使用的一般合成材料手段無非是簡單粗暴的三板斧：研磨、壓片加燒結，不明就里的看官腦補一下太上老君煉制仙丹的場景即可。及至接觸到化學家的作風，乃有嘆為觀止之感：水熱法、微波法、機械合金化、離子交換法、嵌入反應、脫嵌反應等。這些珍寶，化學家們信手拈來、妙手組合，往往達成意外之功效，比起物理人要心靈手巧得多。
展開 PNAS: 中國學者在拓撲外爾半金屬晶體中發現非平庸超導特性
圖二.掃描隧道顯微鏡觀發現表面態的超導能隙遠超過體態的超導能隙，揭示出拓撲超導的可能性。(A) 4 K和0.4 K下樣品表面的微分電導dI/dV譜。在0.4 K下，超導能隙是1.7meV，遠大于體態的超導能隙，且能隙與臨界溫度的比值約為約為8.6，遠大于常規超導材料的能隙與臨界溫度的比值（1.76）。4 K時樣品處于非超導態。(B) 0.4 K超導dI/dV譜和各向同性BCS超導譜的對比。(C) 0.4 K時，不同磁場下的超導dI/dV譜，超導能隙被外加磁場所抑制。
這項工作得到了國家重大科學研究計劃重點專項，國家自然科學基金，中國科學院戰略性先導科技專項等項目的資助。
來源：知社學術圈
展開 南京大學在超導研究取得重要進展
隨著溫度下降，插層KxWTe2呈現出半金屬特性，與未摻雜的WTe2一致；當溫度到達~2.6 K附近時，電阻出現迅速的下降，并在~1.2 K完全降為零，表現出超導轉變。施加外磁場可以觀察到超導轉變被抑制，如圖（b）插圖所示。KxWTe2的超導性質表現出強烈的各向異性：沿平行于樣品表面方向的臨界磁場要比垂直方向的臨界磁場大10倍左右。 這一性質與已經報道的一些超導體系相似，比如一些過渡金屬二硫化物和鐵基超導體。掃描隧道顯微譜測量證實了超導能隙的存在，如圖（c）所示。
圖1（a）KxWTe2的STM表面形貌圖。（b）鉀插層WTe2的電阻隨溫度變化曲線。插圖：在不同的外加磁場（H⊥）下的電阻隨溫度變化曲線。（c）KxWTe2樣品表面測量的掃描隧道顯微譜顯示超導能隙的存在。
可以預期，常壓下WTe2的超導轉變將使得更多的實驗測量手段可以被利用，從而為常壓下研究WTe2的超導機制提供了材料基礎。由于WTe2本身屬于第二類Weyl半金屬，鉀插層的WTe2也為研究拓撲超導提供了一種新的候選材料。
該工作得到了固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心、科技部重大科學研究計劃、國家自然科學基金、江蘇省雙創人才計劃和六大人才高峰等項目的資助。
展開 Nature子刊：西工大曹崇德團隊鐵基超導重要進展！
西工大理學院曹崇德教授團隊與美國萊斯大學戴鵬程教授團隊以及德國馬普固體研究所、美國標準局、橡樹嶺國家實驗室和中國人民大學的同行合作，研究了Ni摻雜NaFeAs鐵基超導體的結構、向列性、磁性和超導特性之間的關系，在高溫超導體中發現了奇異的畸變現象，發現向列漲落有助于超導的形成。研究成果以“Local orthorhombic lattice distortions in the paramagnetic tetragonal phase of superconducting NaFe1?xNixAs“為題在Nature Communications（《自然-通訊》）上在線發表，曹崇德教授與戴鵬程教授為文章的共同通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05529-2
這是他們繼首次在鐵基超導附近發現莫特絕緣體（Nature Communications, 2016, 7, 13879; https://www.nature.com/articles/ncomms13879）之后的又一重要研究進展。
超導材料，是具有在一定的低溫條件下呈現出電阻為零以及排斥磁力線的性質的材料。超導材料處于超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能，這意味著電能和信息的快速傳遞。作為一類特殊的重要功能材料，超導材料已廣泛用于超導強磁體、高能粒子加速器、磁懸浮運輸（如磁浮列車）、受控熱核反應、通信電纜和天線、儲能器件，重要的精密測量儀表、醫療器械、輻射探測器、微波發生器等。另外，超導材料還是量子通信的關鍵材料。目前為止，已發現的超導材料其臨界超導溫度均遠低于零度，尋找到室溫超導材料是人類的夢想之一，而實現這一夢想的前提是搞清楚超導產生的機理。
展開 
南京大學繆峰&王強華：第二類外爾半金屬超導研究重要進展
【引言】
由于拓撲超導體在量子計算中潛在的巨大價值，近年來，全世界的科學家們對尋找潛在的拓撲超導材料表現出極大的興趣。隨著外爾半金屬在近幾年出現在科學家們的視野，理論預言超導態下的外爾半金屬有可能成為拓撲超導的候選材料—外爾費米子的配對會表現出不同于普通BCS配對的性質。其中，與第一類外爾半金屬相比，第二類外爾半金屬由于擁有傾斜的外爾錐以及在電子空穴口袋邊界形成外爾點，理論預言在超導態時，二類外爾半金屬會表現出更顯著的拓撲超導的性質。二碲化鎢（WTe2）作為一種被廣泛關注的第二類外爾半金屬，研究其超導性質對探索拓撲超導具有重要的意義。然而本征的二碲化鎢是非超導材料，如何使其在保持第二類外爾半金屬特性的同時實現超導，是當前研究領域的一個重大挑戰。
【成果簡介】
南京大學物理學院的繆峰教授課題組之前（2016年）利用低溫電子輸運的手段，提供了二碲化鎢作為第二類外爾半金屬的有力實驗證據（Nat. Commun. 2016, 7, 13142）。在此基礎上，繆峰課題組近日又首次實驗實現了近鄰效應誘導的WTe2的超導，在其超導態下觀察到了反常的亞帶隙輸運特征；南京大學物理學院的王強華教授課題組理論結合實驗，理論證明了實驗觀察到的微分電阻震蕩來源于WTe2超導的亞帶隙反常特性。需要指出的是，不同于之前人們研究的高壓誘導超導，這項工作中近鄰效應誘導的二碲化鎢超導仍保持了其第二類外爾半金屬的特征，為后續研究外爾半金屬最終實現拓撲超導奠定了基礎。
展開 -23℃，高溫超導記錄再次被突破！
圖Mikhail Eremets
根據自然雜志網站報道，德國馬普化學研究所的 Mikhail Eremets 及其同事，在最新研究中觀察到了氫化鑭（LaH10）在 250 開爾文（-23 ℃）的相對悶熱溫度下的超導作用。這一溫度要比現在北極的溫度暖和得多。
這意味著，超導體的研究在向“室溫超導”的道路上邁出了一大步。但需要注意的是，研究樣本必須在170吉帕（相當于地心壓力的一半）的巨壓之下才會出現超導作用。
文章鏈接：
https:/www.nature.com/articles/d41586-018-07831-x
1911年，荷蘭物理學家昂尼斯（H.K.Onnes）第一次發現超導現象和超導體。隨后，在原理探索上，John Bardeen，Leon Neil Cooper和John Robert Schrieffer 3位美國科學家于1957年提出BCS超導理論。基于這一理論，科學家 McMillan提出超導轉變溫度可能存在上限，一般認為不會超過 40K（-223.15℃）。
但隨后，科學家不斷推高超導材料的溫度，此前的最高溫度是1994年朱經武研究組在高壓條件下創造的164K（-109.15℃）記錄。
埃雷米茨的發現，進一步佐證了預測超導體溫度上限的理論方法的正確性。雖然人類距離真正應用超導還有“十萬八千里”，但我們正在步步逼近“室溫超導”，這項技術成熟時，將給電線電纜等基礎設施領域帶來巨大改變。
展開 里程碑突破：15℃，真正意義上的室溫超導！科學家用廢了幾十顆鉆石。
此后，共有9名科學家在超導研究領域獲得了5次諾獎。
雖然獎項頒得很勤快，但人類提升超導臨界溫度的進展卻很緩慢。要知道，通常情況下，電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的BCS理論，即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用，互相吸引，形成Cooper對。而這個Cooper對可以在晶格中無阻礙傳輸，就是傳統超導體的超導機制。臨界溫度的存在，則是因為較高溫度下更強的晶格振動對Cooper對造成破壞。
美國科學家麥克米蘭基于BCS理論計算，認為超導臨界溫度不太可能超過39K（約-234℃），39K這個溫度也被稱為“麥克米蘭極限”。這個極限溫度一度被主流學界所接受。
受到極低溫度的限制，目前超導體在MRI、粒子加速器、量子計算等領域的應用無法廣泛拓展到電網、磁懸浮等令人期待的方向。室溫超導，成為高高在上的圣杯。
臨界的溫度
中國科學家在高溫超導領域收獲頗豐，趙忠賢院士就曾因在這一領域的突出貢獻榮獲國家最高科學技術獎。趙忠賢是國際上最早認識到銅氧化合物超導體重要意義的少數科學家之一。他的團隊從1986年底到1987年初，在十分簡陋的實驗條件下夜以繼日工作，終于和國際上少數幾個小組幾乎同時在鑭-鋇-銅-氧體系中獲得了40K以上的高溫超導體。1987年2月，趙忠賢團隊終于在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發現了臨界溫度為93k的超導轉變。
2008年，國內幾個研究團隊又各自獨立在鐵基高溫超導上實現了突破，堪稱中國鐵基超導“奇跡”。
這一類顛覆了BSC理論和其推論“麥克米蘭極限”的新型超導體，被稱作高溫超導體，其超導原理尚未有定論。
展開 南京大學《Nature Commun》：研制出超導二極管！
通過在超導薄膜上制備具有保角變換（一種在保持晶格局域排列結構下形成梯度分布的變換）的納米孔洞陣列實現樣品中空間反演對稱性的破缺（一種空間上的不對稱性），同時通過施加磁場產生時間反演對稱性破缺（時間反演操作下的不對稱性），不但成功實現了具有單向零電阻效應的超導二極管效應（圖b），而且可以實現二極管整流信號的原位開關、極性反轉和整流幅度調節（圖c）。利用該超導二極管實現的超導整流信號強度比該研究組三年前利用人工自旋冰和超導異質結構器件制備的磁通量子二極管的整流信號大三個數量級。該工作為開發超低功耗的超導電路和芯片、促進現代超導電子學的發展提供了一種新方法、新器件。
該研究組長期致力于超導電子器件的研究，未來不但將繼續探索新的超導二極管原理，還將研究更加實用化的超導二極管，包括優化超導二極管的性能、提升工作溫度、簡化器件制備工藝和研制無需外部施加磁場的超導二極管。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》期刊上。南京大學為該論文第一單位。
展開 基于comsol的多芯扭轉超導復合線力學分析 ￥1650
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</div><p> 研究超導態在外加的磁場中行為之后，知道超導態可以被外加磁場所破壞，才認識道超導態是由于傳輸電流自身產生的磁場H超過超導體的臨界磁場Hc,使其超導態受到破壞，根本無法通過大的電流。必須在超導材料加工過程中加以解決.</p><p> 從穩定性角度來看，由于超導細絲內流動著永不衰減的屏蔽電流，它使磁場無法穿透到導體內部，是導體不穩定性的起因.因此若能設法使磁場以某種形式穿透到導體內部.也就消除了不穩定的根源.經分析和實驗得知，只要將導體沿它的軸向按一定的扭距扭轉，磁場就可向扭轉的復合體內部穿透.這就是多芯扭轉超導復合線產生的原因。</p><p> 對于Nb-Ti合金材料用上述方面可產生多芯扭轉超導復合線.對于Nb3Sn材料.多采用青銅法(固態擴散法)制備.可以得到多芯線.這種組合線最后經過機械扭轉，最后在700℃處理幾小時可到的到多芯Nb3Sn超導扭轉復合線。</p><p> 現在高溫超導材如Bi(2223)，也是參照低溫超導材料多芯，細絲加工方法，制備Bi(2223)多芯帶材。只是在在組裝電纜時，不是直線，而是按一定角度螺旋排放。也取得良好效果。</p><p> 相信隨著高溫超導材料進一步研發，它在國計民生將起到越來越重要的作用。
展開 蘭大《Nature》子刊：超導帶材損傷演化檢測技術突破性進展！
YBCO二代高溫超導帶材因其具有高臨界轉變溫度、高不可逆磁場和高載流能力，已成為國際學界高度關注并競相開發應用的一類高性能超導材料，以期用于提升如REBCO高場磁體(如圖1(a))、超導電機、超導電纜等電磁裝置的更高性能。
圖1. YBCO二代高溫超導帶材(b)制備的典型超導磁體(a)和蘭州大學提出的極端加載環境下超導帶材原位磁光法損傷檢測的示意圖(c)。
由于YBCO二代高溫超導帶材是一典型的層合材料，如圖1(b)所示，其脆性超導薄層通過沉積在具有較高力學性能的哈氏合金基底上、然后用金屬銀和銅層進行包覆來保證其在使役環境下的力學變形與載流需求。然而，這些超導電磁裝置在極端使役環境下（即極低溫、強電流和高磁場）的力學變形不可避免地存在熱失配應力和強電磁應力等因素的材料損傷破壞行為，進而制約著這類超導材料及其磁體性能的提升與穩定運行。為此，如何有效檢測出極端低溫和強磁場受力條件下的材料損傷起源與裂紋演化就成為當前這類材料獲得所期待的有效工程應用的一重要環節。
由于金屬包覆層阻止了對超導層裂紋的直接觀測和損傷的定位，通常的實驗測量手段均難以直接應用于這一觀測研究。
展開 討論有獎 | 室溫超導對各行業有多大影響？
最近，韓國一實驗室團隊表示，他們發現了全球首個室溫常壓超導材料——改性鉛磷灰石晶體結構（LK- 99），“所有證據都可以證明，LK-99是世界首個室溫常壓超導體。LK-99的誕生意味著室溫超導領域的重大突破，開啟了一個全新的歷史時代。”
此后，全國各地實驗室都投入了對此材料的驗證和復現中，其中華科大實驗室聲稱成功合成可磁懸浮的 LK-99 室溫超導晶體，已驗證邁斯納效應。很多人都說，室溫超導材料的出現，可能會引發第四次工業革命。
本周討論話題：你相信這次室溫超導材料的真實性嗎？如果被驗證可行并大量生產，室溫超導將會給各行業和人們的生活帶來哪些變化？
在評論區留下你的聲音，我們將在8月18日隨機從評論中選取五名用戶（點贊數越高幾率越大）分別送出技術鄰定制鑰匙扣、技術鄰VIP月卡、20元視頻優惠券、10元視頻優惠券、500金幣，參與活動的每人均可獲得100金幣。
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電子超導型固態繼電器在電動機控制領域的應用
其中，電動機是感性負載類設備中的代表，下面我們就重點講一下電子超導型固態繼電器在電動機控制領域的應用。
電動機作為感性負載類設備，在具體控制中會遇到以下幾大問題：
①啟動時瞬時電流極大，一般可以達到額定電流的6-7倍。這樣大的瞬時電流會對整個電路造成很大的沖擊，因此需要配套固態繼電器有強大的負載能力。
②電動機自身正反轉的問題。電動機，尤其是三相電動機由于自身相位差和相序的原因，會形成一個旋轉的磁場。轉子轉動的方向隨著接線位置的不同會出現正轉和反轉的現象，給固態繼電器的實際控制造成極大不便。
③電動機要求的起動速度和運動頻率。由于電動機的運轉特性，要求配套的固態繼電器擁有極快的起動速度和很高的運動頻率，對固態繼電器的性能有很高的要求。
對于上述三個問題，超導型固態繼電器給出了自己的應對方案。電子超導型固態繼電器采用內置固態繼電器+可控硅的復合型控制方式，大大降低了單個控制元件的運行壓力，使得電子超導型固態繼電器的負載能力和抗過載能力都大為增強。在實際使用過程中，電子超導型固態繼電器能夠有效承載2倍于標稱電流的瞬時啟動電流，保證固態繼電器的正常運轉和電流的安全穩定。
針對電動機正反轉的問題，電子超導型固態繼電器采用雙機雙控的方式，用兩個固態繼電器分別控制電動機的正轉和反轉，兩者各司其職，從而保證整個控制電路的正常穩定運轉。
對于電機在起動速度和運動頻率上的高要求，電子超導型固態繼電器實現了6-12毫秒的極快速啟動和高達5次/秒的運動頻率，滿足絕大多數電機的性能需要。此外總計超過2500萬次的開關次數也給電子超導型固態繼電器在電動機控制領域帶來了極大的使用壽命優勢。
展開 超導開關瞬態熱分析 ￥50
超導開關使用的超導材料是NbTi，工作溫度是4.2K，超導材料一側有電加熱絲，使超導材料溫度升高后，超導特性改變。
整個開關是一個環形回轉體，如下圖。
將模型簡化 為一個1/2截面，方便計算，同時忽略電加熱絲厚度。
共有四種材料，以下是材料特性。
使用瞬態熱分析來計算20s內電加熱絲加熱及之后冷卻的溫度變化。
《PRL》銅基高溫超導電性理論獲進展！
在銅基高溫超導體中，一個廣泛的共識就是超導來源于2維CuO2面。從80年代發現銅基高溫超導體起，大量的實驗表明銅基超導是一個存在節點的d波配對超導體，其中著名的實驗包括美國IBM實驗室崔章琪等人在三晶約瑟夫森結中發現的自發量子化磁通實驗[1]。2016年，清華大學薛其坤（今天剛獲得 2018年度國家自然科學獎一等獎，詳情請看今天推送的第一條文章）院士團隊成功地利用分子束外延技術在d波Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi2212)超導襯底上生長出單層CuO2面[2]. 不同于在d波超導體中的節點V型局域態密度，掃描電子顯微鏡（STM）在單層CuO2面上發現無節點U型局域態密度。這一實驗結果對銅基高溫超導體中已經廣泛認可的CuO2面d波配對超導體提出新的挑戰。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算重點實驗室胡江平研究員（T06組）與美國波士頓學院汪自強教授、波士頓學院蔣坤博士后和德國維爾茨堡大學吳賢新博士后（物理所博士）合作，通過理論計算發現在Bi2212上的單層CuO2面是一個多軌道引起的全能隙，無節點高溫超導體。首先，密度泛函理論計算表明，CuO2/Bi2212界面上存在著大量的電荷轉移，使得CuO2單層高度過摻雜到3d8Cu3+狀態附近。
在常規銅基超導中，Cu處于3d9Cu2+狀態附近。通?？梢酝ㄟ^構建單帶以d_x2-y2為主的Zhang-Rice單態描述CuO2的電學性質。但在3d8Cu3+狀態情況下，Cu的d_x2-y2和d_3z2-r2軌道都變得很重要。通過構建一個eg兩軌道模型發現高度過摻雜CuO2單層存在兩個不同費米面。在布里淵區中心Γ點和邊角M點，分別存在一個電子型費米面（Γ）和一個空穴型費米面（M）。借鑒鐵基超導中S±波配對經驗，CuO2單層同樣也可以得到S±波配對。
展開 北京高壓科學研究中心《PRL》：揭秘非晶體的超導之謎！
為了實現這一想法，該研究小組選擇了非晶Sb2Se3作為研究對象 — Sb2Se3具有相對穩定的無序結構，而且其晶態展現出豐富的電子行為，比如強自旋軌道耦合、拓撲絕緣性、壓力誘導超導等。那么這些新奇的物理現象是否也會發生在非晶態Sb2Se3中，壓力是否也會誘導非晶態Sb2Se3超導？原子排列的變化又是如何影響非晶態的電子結構性質？帶著這些疑問，該研究團隊對非晶Sb2Se3展開了系統的高壓研究，從原位高壓實驗及理論模擬探索壓力對非晶Sb2Se3原子排列及電子結構的影響。
他們發現，隨著壓力的增加，非晶半導體Sb2Se3在24萬大氣壓時也表現出同樣的超導電性。原位高壓高能X射線衍射測試表明非晶Sb2Se3在超導出現的同時由低密度非晶轉變為一種高密度非晶，如下圖所示，進一步壓縮下，高密度非晶態最終轉變為晶態立方結構。
圖釋：超導和密度的相關性。（a）在壓縮過程，非晶相依次經歷了LDA，HDA，bcc相，在卸壓時，bcc相一直保留到24GPa，然后坍塌成LDA相。（b）相對應的，超導首先發生在HDA相，當從HDA進入bcc相時，顯示出超導臨界溫度的提高，在卸壓過程，超導一直維持在bcc相，直到返回LDA相，超導消失
進一步的理論計算表明，中間態—高密度相是非晶Sb2Se3超導發生的關鍵。“高密度非晶相為初期超導行為的發生孕育了有序的局域結構單元。從本質上講，高密度態是由一種獨特的化學鍵—“Metavalent bonds” 主導的—其介于低壓共價鍵和高壓金屬鍵之間，它與低壓非晶半導體相和高壓晶態金屬相明顯不同”，楊文革研究員解釋到?！坝腥さ氖牵琈etavalent bond已成功地應用于相變材料、熱電材料等領域。
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