室溫超導新突破:碳基超導體的臨界溫度更高了!

2020-12-04 DeepTech深科技

眾所周知，在一般材料導電過程中會消耗大量能量，而超導體在傳輸過程中則幾乎沒有能量耗損，還能在每平方釐米上承載更強的電流。目前，超導材料只有在低溫環境下才會具有超導性。尋找在低壓、高溫下實現材料超導性的方法並將其用於生活中，可謂是應用物理界的重大使命沒有之一。

這次，北卡羅來納州立大學（University of North Carolina，NC State University）的研究人員使用一種新型摻硼Q-碳材料（boron-doped Q-carbon），顯著提高了碳基材料的超導臨界溫度。

圖丨摻硼Q-碳材料

之前，摻硼金剛石作為超導體的最高溫度為11K ( 約-262.15C°)，而現在這種新型摻硼Q-碳材料則在35K~57K（約-238.15~-215.6C°）區間內具有超導性，比原有的記錄高了46K。北卡羅來納大學材料科學與工程學教授， Jay C. Narayan說：「把溫度上限從11K提到57K是傳統BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer超導理論）超導性的一大突破。」

圖丨超導體

在這裡向大家普及一下基本的超導工作原理——BCS理論。顧名思義，該理論是由Bardeen、Cooper、Schrieffer這三個人提出的。他們認為，在低溫低能的條件下，金屬中的自旋相反的電子會兩兩結成「庫珀對」，這些庫珀對的能量高於低溫晶格中原子振動的能量，因此不與周圍發生能量交換，所以不會產生電阻。

圖丨BCS超導理論

最早的超導體是於1911年在4.2K的溫度下發現的汞，然後主要為20世紀八十年代發現的銅氧超導體，也就是銅和氧加上其他稀土元素的化合物。再者，就是2008年發現的鐵基超導體；這些以元素分類的超導「家族」在內部都有著相似的性質，主要因為基於某種原子形成的晶格震蕩能量低，更適合庫珀對的運動。

相信隨著凝聚態物理的發展，更多超導家族會被相繼開發。

圖丨超導體發現的年份與臨界溫度的關係，隨著不同族別被發現，臨界溫度提高

在製造摻硼Q-碳材料的過程中，研究人員先用無定形碳（非晶碳，amorphous carbon）和硼（boron）的混合物塗覆基底，然後再將基底暴露在單個雷射脈衝長達幾納秒（nanoseconds）的持續轟擊中。在雷射照射期間，碳的溫度會先升至約4000開爾文，然後快速冷卻。

Jay C. Narayan說： 「通過把硼摻入Q-碳中，我們消除了材料的鐵磁性，並賦予了它超導性。 到目前為止，每當我們增加硼在材料中所佔的比例時，材料就能在更高的溫度下保持其超導性 。相比摻硼金剛石，這個過程增加了接近費米能級時載荷子的密度。

圖丨該材料的結構成像

相比以前的方法，該製造方法能使摻硼碳具有更高的硼濃度，這一數值遠高於使用現有平衡法（equilibrium methods, 如化學氣相沉積）可能產生的硼濃度——如果使用平衡法，硼在摻硼Q-碳中的濃度僅為2%原子百分比，即 每100個原子中只有兩個硼原子。但使用這種基於雷射的非平衡法將硼摻入碳中，我們可以獲得高達27%原子百分比的硼濃度。

硼在材料中的濃度越高，材料就能在更高的溫度下具有超導性。目前，美國的橡樹嶺國家實驗室已經使用電子能量損失譜證實了有關高密度超導態的發現。

圖丨摻硼Q-碳的相變溫度為37.8K

目前，研究人員們計劃通過優化材料來提高材料超導的溫度上限。Q-碳能在更高溫度下保持超導性的這一突破在科學上令人興奮，這意味著我們可能會實現使新型強粘結輕質材料在室溫下具有超導性。此外，Q-碳因它具有透明、堅硬、生物相容和耐腐蝕的性質，其超導性對實際應用也具有特殊的意義.

研究人員們已有與超導體相配套的封閉循環氦製冷系統，能實現低至10K（約-263.15C°）的環境溫度。而摻硼Q-碳材料可在21K （-252.15C°）的環境中，兩個特斯拉的磁場強度下，承載密度高達4300萬安培的每平方釐米的電流。並且，由於他們們已使摻硼Q-碳在57K（約-216.15C°）下保持超導性，摻硼 Q-碳材料已可被用於實際應用。」

該論文"A Novel High-Temperature Carbon-Based Superconductor: B-Doped Q-Carbon,」發表在《應用物理》雜誌上。

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