首個室溫超導體問世，為了發現它，科學家用廢了幾十顆鑽石
2020-10-15 量子位邊策 金磊 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI
一項新紀錄，今天轟動整個物理界。
在15℃溫度下，竟然也能觀察到超導現象！
這就是來自羅切斯特大學的最新研究，他們設計出了一種新型氫化物，可以在這般「高溫」下，無任何電阻地導電。
科學家發現，這種由氫-硫-碳組成的材料，在巨大的壓力（大約是地球核心的75%）下，室溫時就能轉變成超導體。
這也是人類發現的第一種室溫超導體。
今天，Nature也以封面的形式對其報導，意義之重，可見一斑。
西班牙巴斯克大學凝聚態物質理論家 Ion Errea認為：
這是第一次真正聲稱發現了室溫超導現象。
劍橋大學的材料科學家Chris Pickard評價道：
這顯然是一個裡程碑。
首個室溫超導體
來自羅切斯特大學的科學家將兩種氫化物混合在一起，然後在超高壓下讓整個混合物重新組合。
他們選擇了硫化氫（一種臭雞蛋氣味氣體）和甲烷（天然氣主要成分），將這兩種物質與鉑電極一起放在金剛石砧中。
金剛石砧是兩個「尖對尖」金剛石，在二者之間可以產生巨大的壓力，可以達到幾百萬個大氣壓。
當壓力超過4萬個大氣壓時，研究人員用綠色雷射照射數小時，破壞硫-硫鍵，從而形成硫-氫化合物。
在175萬個大氣壓下，樣品冷卻至-93°C就會發生超導轉變。如果繼續增加壓力，超導轉變的臨界溫度會不斷提高。
當到達到267萬個大氣壓時，只需把樣品降低至15°C，就能看到電阻消失。
除了電阻為零外，科學家還發現了另一些超導的證據，比如在轉變溫度下，這種物質屏蔽了磁場，這是超導體一項重要特徵。
為了尋找這種室溫超導化合物，他們用廢了幾十對金剛石砧，每一對的價格3000美元。論文通訊作者Ranga Dias說：「我們研究的最大問題就是金剛石預算。」
金剛石砧產生的超導材料數量極少，大約是單個噴墨顆粒的大小。而且這種超導材料不夠穩定，只要放置過夜就會分解。
超高壓條件以及不穩定的性質，意味著這種室溫超導體難以有實際性質，但這卻是人類發現的第一種室溫超導體，探索超導體100多年的道路上具有裡程碑意義。
應用廣泛的超導體
超導體（superconductor），是指在低於某一溫度時，電阻為零的導體。
超導現象是在100多年前，由荷蘭物理學家昂內斯發現。他把汞降低到4.2K（約零下269度）時，發現汞的電阻突然消失，因此獲得了1913年諾貝爾物理學獎。
除了「零電阻」外，它還具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特點。
完全抗磁性，又稱邁斯納效應，能讓超導體內部的磁感應強度為零，及超導體排斥體內的磁場。這種特性最大的用途是用來做磁懸浮。
磁通量量子化，又叫做約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象。
超導體中的磁通量量子化可以用來製造超導計算機。
除了這些高大上的設備，我們的日常生活也離不開超導體，比如醫院裡的核磁共振成像，還有手機信號基站也需要超導體來製造濾波器。
然而，超導體的低溫限制，成了它的阻礙它應用的最大局限。
直到1987年，美籍華裔物理學家朱經武發現了液氮（77K）溫區的「高溫超導體」釔鋇銅氧，才讓超導體應用更加廣泛。
但科學家們希望能夠找到一種無需冷卻，在室溫下即可使用的超導體。
這也正是此次發現能夠引起如此反響的原因——是科學家們苦苦探尋了幾十年的一種超導體，提高溫度意味著不需要複雜的冷卻設備。
要知道，此次的研究要比去年的最新進展足足高出了30多攝氏度。
除了高溫這個局限性外，還有就是高壓。
超導體只能在極高的壓力下存活，相當於接近地球中心的壓力，相當於馬裡亞納海溝壓力的40倍。
因此，也正如研究作者所說，這意味著它不會有任何直接的實際應用。
儘管如此，物理學家們仍然希望，這個超導體能夠為開發在較低壓力下工作的零電阻材料鋪平道路。
5年追夢成真
5年前的德國物理學家的發現為找到室溫超導體敲開了大門。
要知道為何氫-硫-碳會成為室溫超導體，我們先介紹一下超導的原理。
在正常狀態下，電子以個體形式運動，碰撞到原子就會產生電阻。
而在超導體中，兩個電子會配對形成所謂「庫珀對」（Copper pair）。一旦電子結伴，它們就會以量子液體的形式無阻礙地通過導體，讓電阻徹底消失。
庫珀對的形成可以這樣通俗理解：
當帶正電的原子被電子吸引後，就會聚集起來，這裡正電荷多一點，自然會吸引別的電子過來，這兩個電子即完成配對。
顯然原子質量越重，就越難被電子吸引，電子也就越難形成庫珀對，因此科學家把目光瞄向了最輕的原子——氫。
但問題是，常壓下固態氫中沒有自由電子。只有高壓改變固態氫的結構，讓氫釋放出電子，才有可能形成庫珀對。此時氫變成了一種金屬狀態——金屬氫。
△ 木星內部可能存在金屬氫
1968年，康奈爾大學物理學家Neil Ashcroft預測，金屬氫在常溫下應該是超導體。
然而，要讓金屬氫變成超導體需要的壓力實在太大了，以現有實驗室條件難以達到，倒是木星內部有可能滿足這樣的條件。
△ 科學家用高壓製備出金屬氫
2017年，哈佛大學科學家在實驗室中製備出金屬氫，但壓力不足以讓其變成超導體。
Ashcroft將希望寄托在富含氫的化合物上，這類化合物獲取能在稍低的壓力下變成超導體。
但添加多少比例的氫是個技術活。如果添加太少，化合物就不會像金屬氫那樣超導。如果添加太多，那麼化合物超導所需壓力太大，實驗室裡難以達到。
終於在2015年，德國科學家Eremets發現，一種氫和硫的化合物在-70℃時轉變成超導體。
2018年，同樣是Eremets的團隊發現了冰箱溫度下的超導體氫化鑭，這種物質在-23℃、170萬個大氣壓下變成超導體。
作者、團隊介紹
這項研究的團隊，來自羅切斯特大學。
△Ranga Dias
Ranga Dias，是這次研究的通訊作者，本科就讀於科倫坡大學，攻讀的是物理和數學專業。
2007年， Dias搬到美國華盛頓，開始了他的博士工作，領域聚焦在極端凝聚態物理領域，專攻簡單分子系統中的超導和絕緣體金屬過渡。
△Nathan Dasenbrock-Gammon
Nathan Dasenbrock-Gammon，本科就讀於在北肯塔基大學，目前是羅切斯特大學物理學專業的博士一年級學生。
△Ray McBride
Ray McBride，是羅切斯特大學的一名研究生，正在攻讀機械工程碩士學位。2018年，我獲得了SUNY Geneseo的物理學學士學位，擔任過導師和實驗室講師。
超導體若是能夠在日常生活中應用起來，對人們的生活影響肯定是巨大的。
當然，這條路是「道阻且長」，雖然已經翻過了一座大山，但還有諸多問題待解決。
對此，作者也表示了他們研究的下一步：
製造無需高壓力、穩定的高溫超導體。
參考連結：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0
https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/
— 完 —
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