美國科學家由一配方製成 10 種晶體化合物 助超導體研究

美國科學家透過在晶體內部交換元素，開發出一種革命性方法來研制超導體，從而改寫了材料發現的規則。來自 Argonne National Laboratory（ANL）同 Northwestern University 的團隊，小心地改變了由鋇（Ba）、銻（Sb）以及硫（S）和碲（Te）混合物構成的無機材料家族內的原子排列。呢個技術產生了 10 種獨特化合物，每種化合物雖然元素比例相同，但結構完全不同。

團隊表示，呢個發現有助於量身定制材料的特性，並加速材料科學的進展。「我哋想搵到新嘅材料家族，」ANL 材料科學家兼 Northwestern University 教授 Mercouri Kanatzidis 博士話。「我哋試緊領先 AI，如果成功，AI 就可以用我哋嘅知識嚟訓練。」

發現新規則

好多先進材料，包括首批超導體（能夠以零電阻傳導電流），都係靠偶然發現。依家，團隊唔再依賴意外進展，而係透過控制原子結構嚟設計新材料。Kanatzidis 話，搵到具量子特性嘅材料，例如磁體同超導體，仍然係物理學嘅「熱門領域」。「超導性可能係最大嘅獎賞，但同時都係最難透過設計實現嘅，」佢講。喺呢個項目中，團隊用鋇、銻、硫同碲，由單一配方 BaSbQ3（Q 為硫或碲）創造多種結構，Ba:Sb:Q 比例固定為 1:1:3。

Argonne 同 Northwestern 科學家發現嘅模組化晶體結構可視化圖。圖片來源：Argonne National Laboratory 研究人員只改變咗硫同碲原子嘅數量同喺晶體中嘅排列。佢哋由 Ba-Sb-Te 化合物開始，將部分碲替換為硫。雖然電子結構相似，但元素並未形成典型嘅混合固溶體。「驚喜係，當我哋加多啲硫，幾乎每個樣本都變成唔同化合物，」ANL 博士後研究員 Xiuquan Zhou 博士話。

「每個結構都唔同，但深入睇落，我哋發現佢哋透過數學關係相關聯，屬於同一個家族，叫做同族系列。」 呢個改變產生咗一連串全新獨特晶體結構，每個結構都互相關聯，科學家稱之為同族系列。為咗驗證結果，佢哋喺 DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team 束流線使用小角度 X 射線散射，同喺 11-BM 束流線使用高解析度粉末 X 射線繞射。

為咗驗證材料組成，佢哋求助 Center for Nanoscale Materials（CNM）嘅掃描電子顯微鏡配備能量色散 X 射線光譜。佢哋亦喺 Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center 使用透射電子顯微鏡，以原子級成像材料並驗證結構。

科學家識別咗 10 種共享 1:1:3 比例嘅化合物，每種都有唔同結構。「每個化合物都係新嘅，所以每個都值得調查超導性、量子現象同其他奇異效應嘅原始目標，」ANL 博士後研究員 Hengdi Zhao 博士喺新聞稿中話。隨住 AI 仍然依賴現有數據，呢個工作突顯咗人類直覺嘅持續重要性，特別喺發現全新材料家族方面。佢哋而家嘅目標係為發現適合未來科技嘅電子特性材料，建立更清晰嘅框架。

呢個研究已刊登喺 Science 期刊。