【科研论文科普解读】“极端”装置如何产出“顶刊”成果？

  近日，浙江大学的曹光旱团队经过大量实验，率先制备出新型铬基笼目结构CsCr3Sb5单晶，并与中国科学院物理研究所的程金光团队和周睿团队合作，在怀柔科学城大科学装置的支持下测量出了该材料的多种物理性质，尤其是发现了“非常规超导电性”——这不仅为超导体研究带来了新的希望，也为量子计算和超导磁悬浮列车等尖端技术的应用找到了可能的新路径。相关科研成果北京时间10月2日在国际学术期刊《自然》发表。

  在这个发现的背后，有一个关键的角色——怀柔科学城的综合极端条件实验装置（SECUF）。正是它，为研究团队提供了精密的实验条件，使得这一突破成为可能。

  超导体：改变未来的“魔法”

  什么是超导体？简单来说，它是一种能让电阻完全消失的材料，这意味着电流可以在其中无损耗地流动。如果未来能广泛应用超导材料，能源浪费问题将会大大减少，电力传输效率也会达到前所未有的水平，并且会产生很多颠覆性应用。例如在量子计算领域，超导材料便是一个“超级神器”，它们有潜力让量子计算机的运算速度大幅度提升，远超今天的计算能力。

  不过，超导体通常都需要在极端低温的条件下才能发挥作用，这大大限制了它的实际应用。为了理解非常规超导现象，以帮助找到更实用的超导材料，科学家们把目光投向了一种特殊的几何结构材料——笼目晶格。“笼目”的本意其实是一种传统竹编图案，你可以认为这种竹编图案的特殊结构会让电子在其中“跳舞”，产生各种奇特的量子现象，包括我们不懈探求的超导性。

  全新超导体登场

  科学家们在过去的研究中，已经在钒基笼目材料中观察到了一些超导现象，但这些材料的电子之间关联较弱，没能达到理论预期的强关联超导效果。直到最近，浙江大学的曹光旱团队经过不懈努力，制备出了一种全新的材料——铬基笼目结构CsCr3Sb5单晶。

  与之前的材料相比，铬基材料不仅在高压条件下表现出了超导性，还具有强烈的电子关联和磁性特征。这意味着这个新材料内部发生的“电子舞蹈”更为复杂，可能隐藏着一些我们尚未完全理解的非常规超导现象。换句话说，它内部的电子行为就像一支复杂的交响乐，而我们现在才刚刚开始欣赏它的旋律。

  但问题来了，这种材料极其脆弱——它的厚度仅有头发丝直径的三分之一，单晶样品合成也非常困难，即使经过几个月的反复生长，能够合成的样品量也不到0.1mg。在这种情况下，传统的实验手段根本无法精确测量它的物理特性。为了探究这种神秘的材料，科学家们需要依靠一个能够模拟极端环境的实验平台，这就是怀柔科学城的“超级神器”——SECUF（综合极端条件实验装置）。

  SECUF：探测材料极限的“魔法箱”

  怀柔科学城的综合极端条件实验装置（SECUF），可以说是科学家的“超级神器”。这个实验装置能够创造出极低温、超高压、强磁场、超快光场等环境，帮助科学家们破解材料内部的奥秘。

  在这项研究中，SECUF的A6实验站和A2实验站发挥了关键作用。A6实验站的超导磁体核磁共振系统，用高达25T的强磁场，对铬基笼目材料进行了超精细的测量。这个系统极大地提升了测试效率，帮助科学家们捕捉到了该材料在55K时发生的“磁相变”现象。这一发现为理解材料的超导行为提供了重要线索。

  与此同时，A2实验站的大腔体六面顶高压测量系统则为高压低温环境下的电阻和磁化率测量提供了精确的实验条件。通过在0到12 GPa的压力范围内的实验测量，科学家们首次在笼目晶格材料中发现了压制磁相变后的超导穹顶现象。这意味着在特定压力范围内，材料的超导性能达到了顶峰，仿佛在压力下构建了一座“超导山峰”。

  超导穹顶：压力下的“山峰”

  什么是超导穹顶？虽然听起来像是科幻小说里的名词，但实际上，它指的是在特定的压力下，材料的超导转变温度达到一个最高值，然后随着压力的继续增加，超导性逐渐减弱直至消失。你可以想象一下，一座由压力和温度共同塑造的“超导山峰”，当材料到达“山顶”时，它的超导性最强。