超导体研究前沿（东京都立大学研发过渡金属）

近日，东京都立大学 Yoshikazu Mizuguchi 教授（水口佳一）团队发布了有关过渡金属“混合物”有助于制造全新的超导体的研究。

《具有高熵合金过渡金属位的 CuAl2 型 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 的超导性》的论文 2020 年 12 月发布于国际金属材料领域高水平期刊《Materials Research Letters》上。

图 | 具有 HEA 型 Tr 位的新型超导 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 化合物的 CuAl2 型晶体结构示意图（来源：东京都立大学）

东京都立大学的研究人员使用了有关具有特定晶体结构的简单超导物质的大量数据，混合并涉及了一种新型的高熵合金（HEA）超导体。已知的HEA可以在极高的压力下保持超导特性。

而 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 这个新的超导体在 8K 时具有超导转变，这对于 HEA 来说是一个相对较高的温度。该团队的方法可能适用于发现具有特定理想特性的新超导材料。

高熵合金（HEA），包含 5 种或 5 种以上原子浓度在 5% 到 35% 之间的元素合金，已经在材料科学、工程学、化学和物理领域进行了广泛研究。

事实上，超导性的发现已经有一百多年的历史了，在超导性中某些材料会突然对低于转变温度的电流表现出最小电阻。在探索消除电力损耗方面，显著削减电力传输损耗的方法，前景十分广阔。但是超导的广泛使用受到现有超导体的制约，特别是低温要求的制约。科学家们需要一种不需要反复试验和调整关键特性下发现新的超导材料的方法。

水口佳一教授领导的团队正在开拓“发现平台”，该平台已发现许多新的超导物质。他们的方法基于高熵合金（HEA），简单晶体结构中的某些位点可以被五个或更多元素占据。HEA 在应用于耐热材料和医疗设备后，不仅具有超导特性，还具有一些特殊的特性，尤其是在极端压力下可以保持零电阻率。

此外，该团队调查了材料数据库和前沿研究，发现了一系列具有相同晶体结构、但在特定位置具有不同元素的超导材料。然后，他们混合并设计了包含许多元素的结构。在整个晶体中，那些“HEA位”被混合元素之一占据。借助于此，他们已成功创造了具有氯化钠晶体结构的层状硫化铋超导体、和碲化物的高熵变体。

图 |（a）新型 CuAl2型Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 在不同强度的磁场中的电阻率与温度的关系 （b）电子比热 Cel / T 的温度依赖性 （来源：东京都立大学）

在他们的最新工作中，他们专注于铝化铜（CuAl2）结构。具有这种结构的过渡金属元素（Tr）和锆（Zr）结合到 TrZr2 中的化合物是超导的，其中 Tr 可以是 Sc，Fe，Co，Ni，Cu，Ga，Rh，Pd，Ta 或 Ir。

该团队使用电弧熔化技术将这些元素的“混合物”结合在一起，创建了 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 这种新的 HEA 型化合物，该化合物具有超导性能。他们研究了电阻率和电子比热，以及材料中电子用来提高温度的能量，并确定了 8.0K 的转变温度。对于 HEA 型超导体，这不仅相对较高，而且他们确认该材料具有“整体”超导电性的标志。

最令人兴奋的方面是，该团队可以调整各种各样的其他过渡金属和配比，以实现更高的过渡温度和其他所需的性能，而这些都不会改变底层的晶体结构。该团队希望他们的成功，将在不久的将来带来更多新型 HEA 型超导体的发现。

尽管 HEA 超导体中的超导电性的配对机制是常规的，但是由于 HEA 超导体的奇异特征，给该领域带来了更多关注。

该研究中最后指出，尽管混合物效应是性能的意外提高，但在 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 的 Tc 上并没有观察到混合物效应。但是具备 HEA 类型的 TrZr2 开拓了探索新型 HEA 超导体，研究 HEA 型化合物的混合熵、局部结构和超导性能之间关系的新途径。

据悉，该项目得到了日本科学促进会，还有东京都政府高级研究的资助。此前在 2012 年，东京都立大学的水口佳一教授，就已经首次成功设计了具有交替绝缘和超导层的层状铋硫属化物材料。

据悉，东京都立大学的超导材料研究室，也称水口研究室，也就是以 Mizuguchi 教授（水口教授）命名的研究室。

图 | 超导材料研究室即水口研究室 （来源：东京都立大学）

水口教授致力于对寻找新的超导材料、固态物理与化学、磁性、超导应用的研究。水口教授的主要研究方向就是超导性，研究领域涉及到制造技术、电气、电子材料工程、自然科学和磁性、超导性和高度相关的系统等领域。其主页上，截止到 2018 年 10 月，共有 7449 篇引用，h-index 指数为 39。

图 |水口研究室的目标 （来源：东京都立大学）

水口研究室的目标是用原创思想开发新物质和新功能。目前正在探索新材料，例如超导体和热电转换材料。倡导能源问题可以通过理清产品的结构和物理性质来解决。