南京大学发现新型超导材料临界温度创新高

‌南京大学在新型超导材料研究方面取得了重要突破，其研究团队在高压下的钛锰合金和锰基化合物MnB₄中分别观测到了高达26K和14.2K的超导电性，均刷新了相应材料体系的超导临界温度纪录。‌

一、钛锰合金中的超导现象

‌研究团队‌：南京大学物理学院的闻海虎教授团队与孙建教授课题组合作。

‌研究成果‌：在高压下的钛锰合金（Ti₁₋ₓMnₓ）中观测到高达26K的超导电性。这一发现为锰基材料中的高温超导电性探索提供了重要线索。

‌研究背景‌：在元素周期表中，存在一块由过渡金属元素构成的区域，其中的一些元素具有3d轨道电子行为。这些3d轨道电子具有局域和巡游的双重性，两者之间的微妙平衡可能会导致很多新奇量子现象的出现，比如高温超导。然而，在探索新超导体的过程中，人们通常避免使用磁性元素锰。但南京大学的研究团队通过加压观测，在富含磁性元素锰的钛锰合金中实现了高温超导。

‌技术细节‌：研究团队通过金刚石对顶砧技术实现了160万大气压的极端测量环境，测量了β相Ti₁₋ₓMnₓ在该压力范围内的超导转变，发现Tc随压力的增加而单调递增，最高Tc达到26K，是常压下Tc（2.5K）值的十倍，也是目前已报道的含Mn化合物中Tc最高的超导体。

二、锰基化合物MnB₄中的超导现象

‌研究团队‌：南京大学物理学院的闻海虎、李庆团队与孙建教授课题组合作。

‌研究成果‌：在高压下锰基化合物MnB₄中发现超导电性，超导转变温度高达14.2K，是目前报道的所有Mn基超导体中Tc最高的。

‌研究背景‌：在探索新超导体的时候，人们通常避免使用磁性很强的元素，如锰元素，因为磁性杂质很容易破坏超导。这也是为什么在锰基化合物中发现的超导体非常稀少，且超导转变温度（Tc）也普遍偏低。但南京大学的研究团队通过将3d过渡金属元素Mn与轻元素B相结合，在MnB₄中实现了高温超导。

‌技术细节‌：研究团队利用金刚石对顶砧技术对样品施加压力，发现在约30GPa的压力下，MnB₄的弱半导体行为被抑制，超导性开始出现。随着压力的进一步增加，超导转变温度逐渐提高，并在150GPa时达到14.2K。同步辐射结构测试发现高压下MnB₄的晶格参数b和c在60-90GPa发生了反常的数值交叉，与超导性的出现密切相关。同时进一步的理论计算发现，MnB₄中如此高的Tc无法仅仅用基于电-声子耦合的BCS图像所描述，可能预示着MnB₄中的超导电性具有非常规的配对机制。

这两种新型超导材料有何应用前景？

一、钛锰合金（Ti₁₋ₓMnₓ）的应用前景

‌能源领域‌：

‌高效能源传输‌：钛锰合金的高温超导特性使其在能源传输方面具有巨大潜力。利用超导材料的零电阻特性，可以大幅减少能源在传输过程中的损耗，提高能源利用效率。

‌磁约束核聚变‌：在核聚变研究中，超导磁体是约束高温等离子体的关键部件。钛锰合金的高温超导特性可能使其成为未来核聚变装置中磁体的理想材料。

‌医疗领域‌：

‌核磁共振成像（MRI）‌：超导磁体是MRI设备的核心部件。钛锰合金的高温超导特性可能使得MRI设备在更高磁场下运行，从而提高成像分辨率和诊断准确性。

‌信息领域‌：

‌超导计算机‌：超导材料在超导计算机中具有应用潜力。利用超导材料的零电阻和完全抗磁性，可以制造出高速、低能耗的超导计算机芯片和存储器。

‌交通领域‌：

‌超导磁悬浮列车‌：超导磁悬浮列车利用超导磁体的抗磁性实现列车与轨道之间的无接触悬浮和驱动。钛锰合金的高温超导特性可能使得超导磁悬浮列车在更高速度下运行，同时降低能耗和噪音。

二、锰基化合物MnB₄的应用前景

‌基础物理研究‌：

‌探索新的超导机制‌：MnB₄中发现的非常规超导配对机制为超导物理研究提供了新的方向。通过深入研究MnB₄的超导特性，可能揭示出新的超导机制和物理现象。

‌材料科学探索‌：MnB₄的发现为在Mn基或具有一定磁性的3d过渡金属化合物材料中探索超导现象提供了新的平台和材料探索思路。这有助于推动材料科学的发展和创新。

‌潜在技术应用‌：

‌低温电子器件‌：虽然MnB₄的超导转变温度相对于常温超导仍有较大差距，但其较高的超导临界温度在低温电子器件中仍具有应用潜力。例如，在制造低温传感器、超导量子干涉器件（SQUID）等方面可能发挥重要作用。

‌新型超导材料开发‌：MnB₄的发现为开发新型超导材料提供了新的思路和方法。通过将3d磁性过渡金属元素和轻元素相结合，可能发现更多具有高温超导特性的新材料。