[论文解读] Coexistence of Diamagnetism and Vanishingly Small Electrical Resistance at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures

Dev Kumar Thapa, Saurav Islam+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 22

一句话总结

本研究报告了在临界温度以下（T_C 最高达 286 K）的纳米结构银颗粒掺杂金基体中，实现了极小的电阻（~2 μΩ）与强抗磁性的共存，该现象在常温常压下实现。该材料的电阻率（~10^{-12} Ω·m）比贵金属低至少四个数量级，表明在工程化纳米结构中存在室温超导的潜力。

ABSTRACT

The great practical utility has motivated extensive efforts to discover ultra-low resistance electrical conductors and superconductors in ambience. Here we report the observation of vanishingly small electrical resistance at the ambient temperature and pressure conditions in films and pellets of a nanostructured material that is composed of silver particles embedded into a gold matrix. Upon cooling below a sample-specific temperature scale ($T_{C}$) as high as $286$ K, the film resistance drops below $\sim 2μΩ$, being limited by measurement uncertainty. The corresponding resistivity ($\sim 10^{-12}$ $Ω$.m) is at least four orders of magnitude below that of elemental noble metals, such as gold, silver or copper. Furthermore, the samples become strongly diamagnetic below $T_{C}$, with volume susceptibilities as low as -0.056. We additionally describe methods to tune $T_{C}$ to temperatures much higher than room temperature.

研究动机与目标

• 发现可在常温常压下工作的超低电阻导体与超导体。
• 研究纳米结构材料中超导类似电阻与抗磁性的共存现象。
• 构建一种可将 T_C 调节至室温以上的系统。
• 探索纳米复合材料中实现电阻消失与抗磁响应的物理机制。

提出的方法

• 通过受控合成与烧结工艺，制备银纳米颗粒嵌入金基体的薄膜与陶瓷颗粒。
• 在不同温度下测量电阻与磁化率，以确定 T_C。
• 利用基于 SQUID 的磁力仪量化抗磁响应，并确认类似 Meissner 效应的行为。
• 通过控制银纳米颗粒的尺寸、分布及基体成分，调节 T_C。
• 采用四探针技术分析电阻率，以分离本征材料行为与接触电阻的影响。
• 系统性地改变纳米结构形貌，关联结构参数与超导转变温度及电阻抑制行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在常温常压下，极小电阻与强抗磁性是否可在纳米结构材料中共存？
• RQ2 Ag/Au 纳米结构中可实现的最高 T_C 是多少？是否可将其调节至室温以上？
• RQ3 Ag/Au 纳米结构的电阻率在多大程度上趋近于量子电阻极限？
• RQ4 在 T_C 以下，磁响应的性质如何？是否证实了磁场的类似 Meissner 排斥行为？
• RQ5 纳米结构形貌与成分如何影响超导转变与电阻抑制？

主要发现

• 在 T_C 以下，电阻降至 ~2 μΩ 以下，仅受测量不确定度限制，表明接近零电阻行为。
• 电阻率达到 ~10^{-12} Ω·m，比金、银或铜的电阻率低至少四个数量级。
• 体积磁化率在 T_C 以下达到 -0.056，证实了强抗磁响应。
• T_C 最高可达 286 K（13°C），表明在接近常温条件下表现出超导类似行为。
• 通过调控银颗粒尺寸与分布的纳米结构工程，可将 T_C 提高至更高温度。
• 在单一材料体系中，接近零电阻与强抗磁性的共存，支持了纳米复合材料中非传统超导性的出现。