室溫超導成功了!—新聞—科學網

2020-12-05 科學網

 

一種氫、硫和碳的化合物被壓在兩顆鑽石之間，在室溫下實現超導。 圖片來源：ADAM FENSTER

近日，研究人員完成了幾十年的探索，創造了第一個不需要冷卻就能消除電阻的超導體。但這種新型室溫超導體只能在相當於地球中心壓力3/4的壓力下工作。換句話說，如果研究人員能夠將這種材料穩定在環境壓力下，超導應用的夢想就有望實現，比如用於核磁共振機器和磁懸浮列車的低損耗電線和不需要冷卻的超強超導磁體。相關論文10月14日刊登於《自然》。

「這是一個裡程碑。」英國劍橋大學物理學家Chris Pickard說。但是，美國加州大學聖地牙哥分校物理學家Brian Maple認為，該實驗的極端條件意味著，儘管它「相當驚人」，但「這肯定不會對製造中的設備有用」。

無論如何，由羅切斯特大學物理學家Ranga Dias團隊宣布的這一消息，使「溫度計」上的漫長徵程達到一個高潮。實現室溫超導有望通過使產熱最小化，提升電導體和裝置的效率。

1911年，荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes在一根冷卻到絕對零度以上4.2攝氏度（4.2 K）的水銀線中首次發現了超導性。1957年，物理學家John Bardeen、 Leon Cooper和Robert Schrieffer解釋了這一現象：他們提出的「BCS理論」認為，一個電子快速穿過超導體會暫時改變材料的結構，在沒有阻力的情況下拉過來另一個電子。

1986年，兩位物理學家發現，在氧化銅陶瓷等不同材料中，超導性能設定在較高的「臨界溫度」——30 K。到1994年，研究人員在壓力下將汞氧化銅的「臨界溫度」提升到164k。

2004年，康奈爾大學理論學家Neil Ashcroft提出，將氫與另一種元素結合可能會增加一種「化學預壓縮」，從而在較低的壓力下使高溫超導成為可能。利用這一策略，2015年，德國，馬普學會化學研究所的Mikhail Eremets團隊在203 K的H3S中發現了超導電性，H3S被壓縮到155吉帕（GPa），超過地球大氣壓力的100多萬倍。在接下來的3年裡，Eremets等人將含鑭的富氫化合物的「臨界溫度」提高到了250k。但是釋放壓力後，所有的化合物就會分解。

在新研究中，Dias團隊認為，可以通過加入第三種元素——碳，將「臨界溫度」提到更高。碳能與鄰近原子形成強鍵。「我們是在盲目飛行。」團隊成員、內華達大學物理學家Ashkan Salamat說。

研究人員把碳和硫研磨在一起的微小固體顆粒裝入金剛石壓腔裡，然後用管道輸送3種氣體：氫、硫化氫和甲烷。然後他們用綠色雷射照射鑽石，引發化學反應，使混合物變成透明晶體。

當將壓力提高到148 GPa並通過電引線檢查樣品的電導率時，研究人員發現晶體在147 K時變成了超導體。通過將壓力增加到267 GPa，研究小組達到了287 K的「臨界溫度」，這是一個寒冷房間或一個理想酒窖的溫度。磁場測量也表明樣品已經變成了超導的。

「結果看起來是可信的。」Eremets說。然而，他指出，Dias小組還不能確定超導化合物的精確結構。

Dias等人表示很快就會著手解決這個問題，而且他們可能也會開始用其他元素來替代氫的3組分混合物，希望能產生溫度更高的超導體。布法羅大學理論家Eva Zurek說：「這是每個人接下來都要做的事。」

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

 

 

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