康奈尔大学的一个跨学科研究小组取得了突破性的发现,融合了软有机材料与量子材料自发自组织形成具有新型多孔结构的超导体的能力,并通过设计了一个新的量子超材料,可以在与最先进的固态材料合成竞争的温度下实现超导。


在此过程中,他们证明了固有的超导特性是体系结构本身的功能。


该小组的论文发表在《高级材料》(“Superconducting Quantum Metamaterials from Convergence of Soft and Hard Condensed Matter Science”)中。该论文的主要作者是Peter Beaucage博士。


跨学科团队由工程,化学和物理研究人员组成,由Spencer T. Olin工程学教授Ulrich Wiesner领导。


威斯纳说,当您观察将超导体置于芯片上的常规方法时,这都是昂贵且不可扩展的高真空方法。我们在这里采用的是低成本、可扩展的,基于解决方案的工艺,该工艺与微电子工艺完全兼容。您基本上可以将这些材料旋涂到芯片上。然后,您只需将它们提交给各个热处理步骤,即可获得超导体。现在我们知道如何获得高质量的超导体了。


该合作包括合著者R. Bruce van Dover, Walter S. Carpenter Jr.工程学教授;和Sol Gruner,约翰L. Wetherill物理学教授,弗朗西斯迪萨尔沃,约翰A.纽曼教授,荣誉退休,在艺术和科学学院。

康奈尔大学取得了突破性的发现!超导量子材料具有有机扭曲

这些扫描电子显微镜图像显示了由软有机嵌段共聚物的自发自组织指导的四种不同的超导体量子材料结构,以及这四种结构的颜色示意图。(图片由研究人员提供)


研究人员于2016年推出了他们最初的自组装的,由氮化铌制成的三维螺旋状超导体。该螺旋状结构是一个复杂的立方结构,包含多个螺旋和孔,并允许在空间的所有三个正交方向上进行电子传输。这是超导体的全新架构。


研究人员利用有机嵌段共聚物的自组装将氧化铌溶胶结构化成具有两个相互缠绕的螺旋网络的复合材料。在空气中进行热处理以除去聚合物并生成介孔结构的多孔螺旋状氧化物后,使用随后在氨中进行的热处理将其进一步转化为氮化物。通过分阶段加热和冷却材料至850度,该团队得以实现超导性。

康奈尔大学取得了突破性的发现!超导量子材料具有有机扭曲

威斯纳说,原理证明是一件大事,因为它表明我们可以使用这些设计大分子的纳米级结构控制,并将其与超导体的特性结合起来。我们现在对此有了更好的了解。


自从他们的初步发现发表以来的几年中,研究人员发现,通过用氩气和渗碳气等气体对氮化铌进行热处理,可以制得高质量的超导材料。氮化铌变得更加平衡,晶体缺陷基本得到修复,材料的质量提高到了超导电性的转变温度从最初达到的7.9开尔文跃升到了16开尔文,可与最新材料媲美。


通过将更多的无机溶胶纳米颗粒整合到同一聚合物中,研究人员还意识到了嵌段共聚物通过自组装产生其他不同形态或结构的希望。


虽然这四个结构的无机晶格参数非常相似,但量子性质却不同。


原则上,您认为材料是相同的。因此,它应该具有相同的转变温度,低于该转变温度它会超导。不正确,维斯纳说,转变温度实际上是介观结构的函数,而不是氮化铌的固有原子结构。那就是所谓的超材料行为。如果我们现在将那些嵌段共聚物的介孔结构压印到超导体上,我们实际上将获得完全不同的特性。


由于该过程比传统的固态方法更具成本效益和可扩展性,因此所得的高质量超材料可以在一系列已知或新颖的应用中找到用途,例如量子信息科学,能量转换和存储或传感。


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