近日，東京都立大學 Yoshikazu Mizuguchi 教授（水口佳一）團隊發布了有關過渡金屬“混合物”有助于制造全新的超導體的研究。

《具有高熵合金過渡金屬位的 CuAl2 型 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 的超導性》的論文 2020 年 12 月發布于國際金屬材料領域高水平期刊《Materials Research Letters》上。

圖 | 具有 HEA 型 Tr 位的新型超導 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 化合物的 CuAl2 型晶體結構示意圖（來源：東京都立大學）

東京都立大學的研究人員使用了有關具有特定晶體結構的簡單超導物質的大量數據，混合并涉及了一種新型的高熵合金（HEA）超導體。已知的HEA可以在極高的壓力下保持超導特性。

而 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 這個新的超導體在 8K 時具有超導轉變，這對于 HEA 來說是一個相對較高的溫度。該團隊的方法可能适用于發現具有特定理想特性的新超導材料。

高熵合金（HEA），包含 5 種或 5 種以上原子濃度在 5% 到 35% 之間的元素合金，已經在材料科學、工程學、化學和物理領域進行了廣泛研究。

事實上，超導性的發現已經有一百多年的曆史了，在超導性中某些材料會突然對低于轉變溫度的電流表現出最小電阻。在探索消除電力損耗方面，顯著削減電力傳輸損耗的方法，前景十分廣闊。但是超導的廣泛使用受到現有超導體的制約，特别是低溫要求的制約。科學家們需要一種不需要反複試驗和調整關鍵特性下發現新的超導材料的方法。

水口佳一教授領導的團隊正在開拓“發現平台”，該平台已發現許多新的超導物質。他們的方法基于高熵合金（HEA），簡單晶體結構中的某些位點可以被五個或更多元素占據。HEA 在應用于耐熱材料和醫療設備後，不僅具有超導特性，還具有一些特殊的特性，尤其是在極端壓力下可以保持零電阻率。

此外，該團隊調查了材料數據庫和前沿研究，發現了一系列具有相同晶體結構、但在特定位置具有不同元素的超導材料。然後，他們混合并設計了包含許多元素的結構。在整個晶體中，那些“HEA位”被混合元素之一占據。借助于此，他們已成功創造了具有氯化鈉晶體結構的層狀硫化铋超導體、和碲化物的高熵變體。

圖 |（a）新型 CuAl2型Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 在不同強度的磁場中的電阻率與溫度的關系 （b）電子比熱 Cel / T 的溫度依賴性 （來源：東京都立大學）

在他們的最新工作中，他們專注于鋁化銅（CuAl2）結構。具有這種結構的過渡金屬元素（Tr）和锆（Zr）結合到 TrZr2 中的化合物是超導的，其中 Tr 可以是 Sc，Fe，Co，Ni，Cu，Ga，Rh，Pd，Ta 或 Ir。

該團隊使用電弧熔化技術将這些元素的“混合物”結合在一起，創建了 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 這種新的 HEA 型化合物，該化合物具有超導性能。他們研究了電阻率和電子比熱，以及材料中電子用來提高溫度的能量，并确定了 8.0K 的轉變溫度。對于 HEA 型超導體，這不僅相對較高，而且他們确認該材料具有“整體”超導電性的标志。

最令人興奮的方面是，該團隊可以調整各種各樣的其他過渡金屬和配比，以實現更高的過渡溫度和其他所需的性能，而這些都不會改變底層的晶體結構。該團隊希望他們的成功，将在不久的将來帶來更多新型 HEA 型超導體的發現。

盡管 HEA 超導體中的超導電性的配對機制是常規的，但是由于 HEA 超導體的奇異特征，給該領域帶來了更多關注。

該研究中最後指出，盡管混合物效應是性能的意外提高，但在 Co0.2Ni0.1Cu0.1Rh0.3Ir0.3Zr2 的 Tc 上并沒有觀察到混合物效應。但是具備 HEA 類型的 TrZr2 開拓了探索新型 HEA 超導體，研究 HEA 型化合物的混合熵、局部結構和超導性能之間關系的新途徑。

據悉，該項目得到了日本科學促進會，還有東京都政府高級研究的資助。此前在 2012 年，東京都立大學的水口佳一教授，就已經首次成功設計了具有交替絕緣和超導層的層狀铋硫屬化物材料。

據悉，東京都立大學的超導材料研究室，也稱水口研究室，也就是以 Mizuguchi 教授（水口教授）命名的研究室。

圖 | 超導材料研究室即水口研究室 （來源：東京都立大學）

水口教授緻力于對尋找新的超導材料、固态物理與化學、磁性、超導應用的研究。水口教授的主要研究方向就是超導性，研究領域涉及到制造技術、電氣、電子材料工程、自然科學和磁性、超導性和高度相關的系統等領域。其主頁上，截止到 2018 年 10 月，共有 7449 篇引用，h-index 指數為 39。

圖 |水口研究室的目标 （來源：東京都立大學）

水口研究室的目标是用原創思想開發新物質和新功能。目前正在探索新材料，例如超導體和熱電轉換材料。倡導能源問題可以通過理清産品的結構和物理性質來解決。

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