為固體物理的偉大夢想,開闢了一個全新視角:室溫下的超導體!

2020-12-05 騰訊網

去年八月，史丹福大學宣布了一個高溫超導的新時代：鎳時代（如下截圖「博科園」去年國內率先報導解析）；研究發現，在一類特殊的材料，即所謂的鎳酸鹽中，存在著很有前景的超導體，這種超導體即使在高溫下也可以在沒有任何電阻的情況下傳導電流。然而，很快就變得明顯的是，史丹福大學這些最初令人嘆為觀止的結果，無法被其他研究小組複製重現。

維也納技術大學現在已經找到了原因：在一些鎳酸鹽中，物質結構中加入了額外的氫原子。這完全改變了材料的電學性能，在生產新的超導體時，現在必須考慮這種影響。有些材料只有在接近絕對零度附近溫度時才是超導體，這樣的超導體不適合技術應用。因此，幾十年來，科學家一直在尋找即使在更高的溫度下也保持超導的材料。20世紀80年代，「高溫超導體」被發現。

「氫」君側

然而，這裡所說的「高溫」仍然很冷：即使是高溫超導體，也必須經過強力冷卻才能獲得其超導性能。因此，在更高溫度下尋找新超導體的工作仍在繼續。長期以來，科學家特別關注所謂的銅酸鹽，也就是含銅的化合物，這就是為什麼我們也談到了銅時代。維也納技術大學固態物理研究所的卡斯滕·霍爾德教授解釋道：有了這些銅酸鹽，儘管今天高溫超導理論仍有許多懸而未決的問題，但還是取得了一些重要的進展。

但現在已經有一段時間了，其他的可能性也在考慮之中，以含鐵超導體為基礎的所謂「鐵時代」已經存在。2019年夏天，來自史丹福大學的哈羅德·黃研究小組成功展示了鎳酸鹽的高溫超導電性：根據計算，在10年前就已經提出了鎳酸鹽作為超導體的理論設想，但它們與現在發現的有些不同。它們與銅酸鹽有關，但含有鎳原子，而不是銅原子。

然而，在經歷了一些最初的熱情之後，近幾個月來已經變得明顯的是，鎳酸鹽超導體生產比最初想像的要困難得多。其他研究小組報告表明：他們的鎳化合物沒有超導特性，這個明顯的矛盾現在得到了澄清。維也納技術大學梁思說：我們在超級計算機的幫助下分析了鎳酸鹽，發現它們非常容易接受材料中的氫，在某些鎳酸鹽的合成中，可以加入氫原子，這完全改變了材料的電子性質。

然而，並不是所有的鎳酸鹽都會發生這種情況，計算表明，對於大多數鎳酸鹽來說，加入氫在能量上更有利，但對史丹福大學的鎳酸鹽來說就不是這樣了。即使是合成條件上的微小變化也能起到作用。來自新加坡國立大學阿里安多·阿里安多周圍的小組報告顯示：他們也成功地生產出了超導鎳酸鹽，因其讓生產過程中釋放的氫氣立即逸出。

用超級計算機計算臨界溫度

在維也納技術大學，正在開發新的計算機計算方法，並用於理解和預測鎳酸鹽的性質。由於大量的量子物理粒子總是同時在這裡發揮作用，計算非常複雜，但通過結合不同的方法，現在甚至可以估計各種材料超導到的臨界溫度。這樣可靠的計算以前是不可能的。特別是，維也納技術大學的團隊，能夠計算出鎳鹽超導所允許的鍶濃度範圍，這一預測現在已經在實驗中得到證實。

高溫超導是一個極其複雜和困難的研究領域，新的鎳酸鹽超導體，加上對理論的理解和計算機計算的預測能力，為固體物理的偉大夢想開闢了一個全新視角：一種在常溫室溫下工作的超導體，因此無需任何冷卻。

博科園｜研究/來自：維也納技術大學

參考期刊《物理評論快報》

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