08,12,2026 3visualizações
【Rede de instrumentos Notícias de Pesquisa e DesenvolvimentoA supercondutividade de alta temperatura é uma direção importante para a futura transmissão de energia eficiente e o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de alto desempenho, mas seu mecanismo microscópico sempre foi o "mistério da coroa" da física de condensação.
Na noite de 12 de agosto, hora de Pequim, a equipe do professor Zhang Yangba e os colaboradores do Departamento de Física da Universidade de Fudan publicaram os resultados da pesquisa em "Nature" com o título de "Supercondutor de cuprato 2D com um plano único de CuO₂", afinando com sucesso o supercondutor de alta temperatura à base de cobre para conter apenas um plano supercondutor - ou seja, uma única superfície de CuO₂.
Essa "operação extrema" não só confirma a natureza bidimensional da supercondutividade de alta temperatura, mas também detecta estranhos "estados metálicos anormais" e fenômenos críticos quânticos no ponto crítico da transição supercondutor-isolador, fornecendo uma nova plataforma experimental quântica para o estudo dos mecanismos de supercondutividade de alta temperatura.
Aproximando-se dos limites físicos: a passagem da "camada dupla" para a "camada única"
O supercondutor é um tipo de material que apresenta resistência zero a uma temperatura de transição específica e é totalmente anti-magnético, e pode ser amplamente utilizado em áreas como transmissão e armazenamento de energia elétrica, imagem médica, trem de suspensão magnética, computação quântica e outras áreas, com importantes valores de pesquisa científica e aplicação tecnológica.
Em 1986, J. Georg Bednorz e K. Alex Müller descobriram a supercondutividade de alta temperatura no óxido de cobre de bário-bário (La-Ba-Cu-O), com temperaturas críticas de até 30 K ("K" é a unidade de temperatura termodinâmica "Kelvin", 30 K = -243,15 °C), o que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1987. Desde então, os cientistas realizaram pesquisas aprofundadas sobre os supercondutores de alta temperatura baseados em cobre e desenvolveram dezenas de sistemas de materiais. Estes supercondutores de alta temperatura baseados em cobre, embora sejam diferentes em composição química e temperatura crítica de supercondutividade, têm uma grande característica em comum: a supercondutividade nasce de uma camada extremamente fina de nível atômico de oxigênio de cobre bidimensional.
No entanto, de acordo com as teorias tradicionais da física, no mundo bidimensional, a obtenção de um "estado ordenado" como a supercondutividade é extremamente instável e susceptível de ser destruída pelo calor. Por que a supercondutividade de alta temperatura é estável na superfície de oxigênio de cobre bidimensional? Essa é a chave para entender o mecanismo de supercondução de alta temperatura.
Para enfrentar esse problema, a estratégia mais direta é reduzir o material até a espessura atômica para observar mudanças na supercondutividade. No entanto, a camada atómica de óxido de cobre é extremamente frágil, vulnerável ao ar e aos processos de processamento, e o teor de oxigênio é difícil de controlar, o que representa um grande desafio para a preparação e medição de materiais que mantenham suas propriedades.
Em 2019, a equipe de Zhang e seus colaboradores prepararam Bi2Sr2CaCu2O8 + δ de camada única e forneceram pela primeira vez evidências experimentais diretas de que os supercondutores de cobre de camada única sob o limite bidimensional têm as mesmas propriedades de supercondutividade que os supercondutores de cobre em bloco, revelando a natureza bidimensional da supercondutividade de alta temperatura. Desta vez, a equipe passou um passo mais longe e, com base em estudos anteriores, preparou com sucesso um supercondutor de óxido de cobre bidimensional extremo que contém apenas uma única face de CuO₂ - Bi2Sr2CuO6 + δ (Bi2201) de camada única.
“É a primeira vez que avançamos a espessura do óxido de cobre de uma dupla camada para uma verdadeira estrutura de camada única, permitindo a validação do limite das propriedades supercondutoras do óxido de cobre. Os dados experimentais apoiam fortemente a ideia de que a supercondutividade de alta temperatura do óxido de cobre é um fenômeno bidimensional forte, fornecendo evidências experimentais críticas para essa hipótese de longo prazo”, disse Zhang Yuanba.
Desenvolvimento independente e construção de instrumentos científicos de "regulação in situ"
Para preparar e medir planos bidimensionais atômicos extremamente finos, é necessário superar vários problemas experimentais, como a fragilidade do material, a vulnerância ao ar e aos processos de processamento e a dificuldade de estabilizar o teor de oxigênio. Diante do dilema da falta de equipamentos especializados no mercado, o grupo de temas Zhang Yuanwa embarcou no caminho de um instrumento de pesquisa e desenvolvimento independente.
A equipe concluiu a descomposição da amostra e a preparação do dispositivo em ambientes de baixa temperatura na atmosfera inerte, combinando a soldadura a frio de microeletrodos para resolver o problema de que o óxido de cobre de uma única camada é facilmente destruído pelo ar e vapor de água. Mais importante ainda, a equipe desenvolveu uma tecnologia de regulação de dopagem de alta precisão que permitiu a regulação reversível do teor de oxigênio.
"Ao mesmo tempo que medimos, controlamos a concentração de ozônio e a temperatura para ajustar com precisão o teor de oxigênio do material", disse Nguyen Wei, um dos autores do boletim e professor do Departamento de Física da Universidade de Fudan. Com essa técnica de "regulação in situ", a equipe conseguiu uma resolução de dopagem de até δp≈0,0005, permitindo observar uma imagem física completa da fase de isolamento de Mott até toda a cúpula supercondutora.
Com base em instrumentos experimentais de ponta e tecnologias inovadoras, eles descobriram que a temperatura de transição supercondutora ideal para um material de camada única é cerca de 10% menor do que para um bloco, o que sugere que a espessura realmente afeta a temperatura supercondutora. Mas, ao mesmo tempo, o material de camada única mantém intactamente as características do sistema associado do material de bloco, o que sugere que, embora a redução da espessura afete a temperatura de transição supercondutora, as propriedades físicas principais do óxido de cobre permanecem intactas em uma única superfície CuO₂, o que também fornece uma validação crítica das propriedades supercondutoras abaixo dos limites bidimensionais.
Usando o controle de alta precisão para áreas extremamente menos dopadas, a equipe reduziu ainda mais a temperatura para cerca de 100 mK, explorando profundamente a área crítica quântica do supercondutor-isolante, com descobertas inesperadas. A equipe observou um fenômeno quântico crítico estranho em Bi-2201 de camada única: o comportamento da escala universal perto dos pontos críticos quânticos tradicionais falha à medida que a temperatura diminui e, em vez disso, seu índice crítico eficaz diverge rapidamente à medida que se aproxima da área crítica, apresentando a típica heterogeneidade quântica de Griffith.
Mais importante ainda, no limite de temperatura zero, há um estado metálico anormal entre a supercondutividade e o isolamento, cuja resistência é limitada na saturação de baixa temperatura. Este estado metálico anormal pode ser obtido através da redução da dopagem de buracos vazios ou através da adição de campos magnéticos verticais. Esta descoberta coincide com a imagem do metal de bose: a supercondutividade de alta temperatura surge por meio de uma transformação de fase quântica de um sistema de bose bidimensional sem espaço energético e sem superfluxo.
Esta descoberta não só revela efeitos dimensionais reais em uma única face de CuO₂, mas também fornece uma plataforma experimental bidimensional altamente ajustável e de alta qualidade para estudar fenômenos críticos quânticos e estados metálicos anormais.
Continuar a "adicionar tijolos" ao domínio da supercondução de alta temperatura
Ancorar questões centrais e resolver dificuldades por vários anos, essa exploração constante e profunda é uma característica distintiva da equipe Zhang Far Wave. Este resultado não só empurrou a supercondutividade de alta temperatura para o verdadeiro limite da camada única, descobrindo novos fenômenos não observados antes, mas também estabeleceu uma base sólida para o estudo dos mecanismos de supercondutividade de alta temperatura.
"Nossa contribuição é, por exemplo, 'um tijolo adicionado' ao campo", diz a equipe, dizendo que, pela primeira vez, o estudo alcançou simultaneamente um "sistema limpo" e uma "regulação sutil" sob o limite de uma única superfície de oxigênio de cobre, o equivalente a fornecer uma plataforma experimental com uma "variável controlada" que permite aos pesquisadores rastrear sistematicamente o caminho completo de transformação da supercondução do zero para o forte.
Quase quatro décadas depois da descoberta da supercondutividade de alta temperatura em 1986, o mecanismo ainda não está completamente descoberto, mas cada aproximação das "condições extremas", com materiais mais finos, puros e mais controláveis, é uma adição de tijolos que empurra os limites da resposta mais fundo.
Em seguida, a equipe continuará se concentrando em questões importantes no campo da supercondução de alta temperatura, explorando supercondutores de alta temperatura de maior desempenho; Resolver os desafios-chave no processo de preparação de dispositivos de materiais e medição de propriedades e continuar a avançar a pesquisa em novas direções como materiais quânticos bidimensionais.
Os professores Zhang Yanbo, Nguyen Wei e Chen Xianhui, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, do Departamento de Física da Universidade de Fudan, são os coautores da comunicação do artigo. As unidades de colaboração de pesquisa incluem a Universidade de Fudan, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China, a Universidade de British Columbia, a Universidade de Zhejiang, a Universidade Chinesa de Peoples, a Universidade de Xangai Jiaotong, o Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, o Instituto de Ciências Weizmann e a Universidade de Tsinghua. Este estudo foi apoiado pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento do Ministério da Ciência e Tecnologia, pelo Programa de Inovação em Disciplinas Básicas e Interdisciplinares do Ministério da Educação, pelo Programa de Exploração Original do Conselho do Fundo Nacional de Ciências Naturais, pelos grandes projetos do Ministério da Ciência e Tecnologia, pelo Conselho de Ciência e Tecnologia da Cidade de Xangai e pela Fundação de Ciência da Nova Pedra Fundamental.
