室溫超導材料問世！研究者稱「將改變我們所知道的世界」

2020-10-18 光亞星際

蘭加·迪亞斯領導的這項新研究的目標是開發室溫下的超導材料。正如迪亞斯實驗室的這張照片所展示的那樣，目前只有在極冷的環境才能實現超導性。在這張圖片中，一塊磁鐵懸浮在一個用液氮冷卻的超導體上

美國羅徹斯特大學的工程師和物理學家利用氫氣在極高的壓力下壓縮成簡單的固體分子，首次創造出了在室溫下具有超導性的材料。這項研究是由物理和機械工程助理教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）的實驗室完成的，並在近日成為《自然》（Nature）雜誌的封面故事。

超導體是指在特定溫度下電阻為0的導體，零電阻和完全抗磁性是超導體的兩個重要特性。迪亞斯表示，開發室溫超導材料是凝聚態物質物理學的「聖杯」，研究者們已經尋找了一個多世紀，這些材料「絕對可以改變我們所知道的世界」。

為了創造新的記錄，迪亞斯和他的研究團隊將氫、碳和硫結合在一起，以光化學合成方法在一個金剛石壓腔中合成了簡單的有機衍生碳質硫氫化物。金剛石壓腔是一個用來檢測極高壓力下極微量材料的研究設備。

碳質硫氫化合物在約15攝氏度和約2670億帕的壓力下表現出超導性。這是人類第一次在室溫下觀察到超導現象。迪亞斯說：「由於低溫的限制，具有如此優異性能的材料並沒有像許多人想像的那樣徹底改變世界。然而，我們的發現將打破這些障礙，並為許多潛在的應用提供可能。」目前，他也在參與羅徹斯特大學的材料科學和高能密度物理項目。

據介紹，這種室溫超導材料的潛在應用包括：

（1）在沒有電阻之後，電網在傳輸電能時可以減少高達2億兆瓦的能量；

（2）開發一種推動懸浮列車和其他交通工具形式的新方式；

（3）促進醫學成像和核磁共振等掃描技術，以及心磁圖掃描（magnetocardiography）的發展；

（4）開發出更快、更高效的電子數字邏輯與存儲設備技術。

這項發現的合著者、美國內華達大學拉斯維加斯分校的阿什肯·薩拉馬特（Ashkan Salamat）說：「現在我們生活在一個半導體社會，有了這種技術，我們就將進入一個超導社會，你將不再需要電池之類的東西，」。

金剛石壓腔所產生的超導材料的量是用「皮升」（picoliter，縮寫為pL）來測量的，1皮升為1升的萬億分之一，大約是印表機單個噴墨墨滴的大小。

迪亞斯表示，下一個挑戰是找到在較低壓力下製造室溫超導材料的方法，這樣就可以節省成本並提高產量。與金剛石壓腔內產生的數千億帕壓力相比，海平面上地球的大氣壓（即標準大氣壓）只有101325帕。

為什麼室溫很重要？

超導體在1911年首次被發現，具有兩個關鍵的特性：一是電阻完全消失，二是完全抗磁性，又稱邁斯納效應。磁場線無法穿過超導體，必須在超導材料周圍傳遞，使其有可能懸浮起來。這一現象這可以用於無摩擦的高速列車，即磁懸浮列車。如今，超導現象的應用已經相當廣泛，強大的超導電磁鐵已經成為磁懸浮列車、核磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）機器、粒子加速器和其他先進技術的關鍵部件，包括早期的量子超級計算機。

然而，這些設備中使用的超導材料通常只能在極低的溫度下工作——比地球上任何自然溫度都低。這一限制使得維護它們的成本很高，而且難以擴展到其他潛在的應用上。「將這些材料保持在低溫下的成本太高，因此無法真正充分地利用它們，」迪亞斯說道。

在此之前，超導材料的最高溫度是2019年在德國馬克斯·普朗克化學研究所的米哈伊爾·埃雷米茨（Mikhail Eremets）實驗室，以及美國伊利諾伊大學的拉塞爾·赫姆利（Russell Hemley）的研究小組實現的。該研究團隊報告了用鑭超氫化物在零下23攝氏度左右的超導性。近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學物質作為高溫超導體的潛在可能性。不過，作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有前景的元素。

「要獲得高溫超導體，你需要更強的化學鍵和更輕的元素。這是兩個非常基本的標準，」迪亞斯道，「氫是最輕的材料，而氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上講，固體金屬氫具有很高的德拜溫度和很強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的。」

然而，僅僅是將純氫轉化為金屬狀態就需要非常高的壓力。2017年，哈佛大學教授艾薩克·西爾維拉（Isaac Silvera）和當時在其實驗室做博士後研究的迪亞斯合作，在實驗室中首次實現了這一目標。

「範式轉變」

在羅徹斯特大學的實驗室裡，迪亞斯在研究方法上追求一種「範式轉變」，即使用一種替代性的富氫材料，這種材料既模擬了純氫的超導相，而且可以在更低的壓力下實現金屬化。

首先，研究人員在實驗室中結合了釔和氫。由此產生的超氫化釔表現出了超導電性，當時的溫度約為零下11.1攝氏度，壓力約為1790億帕。

接下來，研究人員對共價富氫有機物衍生材料進行了探索。他們認為，通過加入第三種元素——碳，可以使臨界溫度提得更高，因為碳能與鄰近原子形成很強的化學鍵。最終，這項工作的成果便是一種簡單的碳質硫氫化物，可以將實現超導的溫度提高到15攝氏度。研究人員在報告中稱：「碳的存在在這裡也同樣重要。」他們還表示，對這一元素組合進行進一步的「成分調整」，可能是在更高溫度下實現超導性的關鍵。

不過，也有研究者認為，迪亞斯的實驗條件十分極端，意味著距離實際應用還非常遙遠。目前，迪亞斯和薩拉馬特已經創建了一家名為「非凡材料」（Unearthly Materials）的公司，希望能找到一種在日常壓力環境下可大規模生產的室溫超導材料。在他們的這篇論文發表之後，相信世界各地也會有許多理論和實驗小組加入到對這一問題的研究當中。

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