新的室溫超導體

2020-11-26 騰訊網

在兩顆鑽石之間，一種在室溫下由氫、硫和碳超導體組成的化合物。

10月14日研究人員完成了一項長達數十年的探索，他們創造出了第一種不需要冷卻就能消除電阻的超導體。

有一個問題：新的室溫超導體只能在相當於地球中心四分之三的壓力下工作。但是，如果研究人員能夠將這種材料穩定在環境壓力下，那麼超導電性的應用就指日可待了，比如低損耗的電力線和無需製冷的超強力超導磁體，用於核磁共振成像機和磁懸浮列車。

「這是一個裡程碑，」劍橋大學的物理學家克裡斯·皮卡德說。但實驗的極端條件意味著，儘管實驗「相當壯觀」，加州大學聖地牙哥分校的物理學家布萊恩·梅普爾（Brian Maple）說，「這在製造一個設備時肯定是沒有用的。」

由羅切斯特大學物理學家蘭加·迪亞斯領導的一個研究小組宣布了這一消息，這一宣布標誌著向溫度計的長徵劃上了句號。1911年，荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes在冷卻至絕對零度以上4.2°或4.2 K的水銀導線中首次發現了超導性。1957年，物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀，羅伯特·施裡弗解釋了這一現象：他們的「BCS理論」認為，一個電子在超導體中快速移動會暫時改變材料的結構，在沒有阻力的情況下將另一個電子拉到後面。

1986年，兩位物理學家發現，在不同的材料中，氧化銅陶瓷的超導電性設置在更高的「臨界溫度」30 K，或Tc。其他研究小組迅速制定了相關的陶瓷配方；到1994年，他們在壓力下將汞基氧化銅的Tc提高到164 K。電子也在杯狀超導體中配對，但它們如何超導體仍然是個謎。

1968年，康奈爾大學的理論家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）曾建議，一種不同類型的材料應在室溫以上表現出BCS超導性：高壓下的氫。許多研究小組聲稱，他們利用金剛石砧板電池製造出這種金屬氫，這種裝置是一種手掌大小的裝置，目標物質在兩顆鑽石尖端之間受到巨大的壓力。但這一結果仍然存在爭議，部分原因是由於超過地球中心的壓力太高，通常會使鑽石破裂。2004年，阿什克羅夫特提出，將氫與另一種元素結合可能會增加一種「化學預壓縮」，使在較低壓力下實現更高溫度的超導電性。

這個策略奏效了。2015年，馬克斯·普朗克化學研究所的米哈伊爾·埃雷梅茨領導的研究人員在《自然》雜誌上報告說，他們發現在壓縮到155千兆帕（GPa）的H3S中，203K的超導電性是地球大氣壓的100多萬倍。在接下來的3年裡，直立人和其他人把含鑭的富氫化合物中的Tc提高到250k。但是釋放壓力，所有這些化合物就會分解。

迪亞斯和他的同事們認為，通過添加第三種元素：碳，碳與鄰近的原子形成牢固的鍵，他們可以將Tc推得更高。「我們當時是瞎飛的，」小組成員阿什坎·薩拉馬特說，他是拉斯維加斯內華達大學的物理學家。

他們將碳和硫的微小固體顆粒磨合在一起，然後通過管道輸送到三種氣體中：氫氣、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，將混合物變成透明晶體。

當他們把壓力調高到148gpa並通過導線檢查樣品的導電性時，他們發現晶體在147 K時變得超導。通過將壓力增加到267 GPa，研究小組達到了287 K的溫度，這是一個寒冷的房間或理想的酒窖的溫度。迪亞斯和他的同事本周在《自然》雜誌上報導說，磁場測量也表明樣品已經變得具有超導性。

「結果看起來可信，」埃雷梅茨說。然而，他指出，羅切斯特研究小組還不能確定超導化合物的精確結構。研究人員將很快著手研究這個問題，他們也很可能開始將其他元素替換成三組分氫基混合物，以期獲得更高溫度的超導體。布法羅大學（University at Buffalo）的理論家伊娃·祖雷克（Eva Zurek）說：「這是每個

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