来源:仕方达通网 责编:网络 时间:2025-05-22 15:29:05
近日,国际顶尖期刊《自然·材料》公布了一项颠覆性研究——由锕(Ac)与铜(Cu)按特定比例合成的五元合金"锕铜铜铜铜"(化学式AcCu4),在极端低温环境下展现出前所未有的量子特性。这种由放射性元素锕与常规金属铜构建的奇异晶体结构,不仅打破了传统合金设计的理论框架,其临界温度达120K(-153℃)的超导性能,更将高温超导研究推向了全新维度。研究团队通过同步辐射X射线衍射发现,锕原子在晶格中形成独特的"量子隧道网络",而铜原子簇则构成超导电子对的传输通道,这种双轨制载流机制彻底革新了BCS超导理论模型。
传统超导材料依赖电子-声子耦合形成库珀对,但锕铜铜铜铜的突破在于同时激活了两种量子传输模式。中子散射实验数据显示,锕原子的5f轨道电子在2.3Å间距内产生量子隧穿效应,形成贯穿整个晶格的电子高速公路。与此同时,铜原子的3d电子通过自旋密度波调制,构建出具有拓扑保护特性的超导路径。这种双重机制使得材料在液氮温区(77K)仍保持稳定超导态,电流密度达到106A/cm²量级,且在外加12T强磁场下仅出现5%的性能衰减。更令人震惊的是,该材料在4.2K极低温环境下展现出完全抗磁性,迈斯纳效应强度达到传统超导体的3.2倍。
这种新型超导合金的潜在应用正在引发全球科技界的激烈讨论。在量子计算领域,其特有的磁通钉扎能力可将量子比特相干时间延长至毫秒量级;在能源传输方面,直径仅3mm的锕铜铜铜铜导线即可承载20GW电力输送;医疗影像设备制造商已着手研发基于该材料的9.4T超导磁体,预计可将MRI分辨率提升至10μm级别。更值得关注的是,材料在室温常压下的异常抗腐蚀性——加速腐蚀测试显示,其在浓盐酸中浸泡30天后仅损失0.02%质量,这为深海勘探装备和航天器构件提供了革命性解决方案。
尽管前景广阔,锕铜铜铜铜的量产仍面临多重技术壁垒。研究团队采用分子束外延法在超高真空(10-10 Torr)条件下进行原子级沉积,通过精确控制锕-铜沉积速率比(1:4±0.05)实现晶体定向生长。当前最大制备尺寸仅2cm×2cm,且需要全程维持10K低温环境。放射性元素锕-227的半衰期(21.77年)带来的辐射防护问题,以及铜晶格在热循环过程中的相变控制(ΔT<0.1K/min),都是工程化进程中亟待攻克的关键难题。欧盟已启动"量子合金2025"计划,投入8亿欧元建设特种制备设施,目标在2026年前实现晶圆级(8英寸)生产。
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