隕石中現身超導材料—新聞—科學網

2021-01-15 科學網

物理學家發現，撞入澳大利亞的9980公斤隕石含有微量的天然超導材料。

圖片來源：SYDNEY OATS/ WIKIMEDIA COMMONS CC BY 2.0

一個由物理學家組成的團隊發現，隕石有時含有天然形成的可在無任何阻力情況下導電的超導體。雖然這項在日前於洛杉磯舉行的美國物理學會3月會議上得以報告的成果不會徹底改變科學家對太陽系的理解，但它引發了尋找室溫超導體材料的希望。而這可能帶來諸如磁懸浮火車等技術突破。

「聽上去他們好像找到了一些東西並將其分離出來。」正帶領團隊在陸地礦產資源中尋找天然超導體的馬裡蘭大學凝聚態物理學家Johnpierre Paglione表示，「這太棒了。」

傳統超導體含有諸如鈮、鉛或者汞等簡單金屬。當被冷卻至接近絕對零度的典型「臨界溫度」（對於汞來說，是4.2開爾文）時，它們會帶有超導性。1986年，物理學家發現了一個含有銅的化合物家族，其在高達134開爾文（相當於零下139攝氏度）時產生了超導性。該現象被稱為高溫超導，但其來源一直是科學界最大的謎題之一。最近，研究人員又發現了高溫鐵基超導體家族。同時，還出現了各種其他的不穩定超導體。

當很多科學家試圖通過設計來自原子尺度以上的特定屬性合成新穎的超導體時，由加州大學聖地牙哥分校（UCSD）凝聚態物理學家Ivan Schuller領導的團隊選擇了篩選現有礦物質樣本。這些樣本來自地球或者隕石，由位於華盛頓的史密森學會收集。「這裡有老天提供的所有材料。」Schuller說，「為何不研究它們呢？」隕石是在極端溫度和壓力下形成的。這些條件超越了地球上任何實驗室的能力。因此，Schuller認為，它們是尋找新化合物的理想沃土。

超導性的最可靠跡象是當溫度降至臨界閾值以下時，電阻突然變為零。不過，超導體還擁有獨特的磁性：它能「擊退」外加磁場，如果後者不是太強大的話，因為在材料內旋轉且自由流動的電流能產生抵消外加磁場的磁場。這種現象被稱為邁斯納效應。物理學家試圖通過研究該效應，尋找新的超導體。他們尤其關注的是僅含有少量超導體以及阻力從未降至零的異構樣品。

但Schuller認為，此項技術不夠敏感，以至於無法尋找數量極少的超導體。為此，他的團隊對該技術作了修改，以便有效地放大信號。雖然高於和低於臨界溫度的超導體都能吸收微波，但恰好在過渡時，吸收出現變化。

為尋找超導性，Schuller團隊將一個小型樣品放置在加入微波輻射的腔室內。研究人員施加了強大的恆定磁場和較小的振蕩磁場。在上述會議展示最新成果的UCSD研究生James Wampler介紹說，當他們將超導體冷卻至臨界溫度時，微波吸收發生急劇變化。隨著振蕩磁場驅動材料產生和失去超導性，信號被極大地增強。Wampler表示，該技術比傳統的磁性測量敏感約1000倍。

Schuller表示，研究人員在上千個材料樣本中驗證了該方法。現在，他們將其應用於從16種不同隕石的表面刮下的小型樣本。研究人員在兩種隕石的樣本中發現了超導性的證據：1911年發現於澳洲內陸的9980公斤鐵塊——慕拉比拉鐵隕石，以及1995年在南極發現的Graves Nunataks碳質隕石。

一旦研究人員發現了確定的磁信號，他們便開始梳理每個粉末樣本中的不同顆粒類型，並且利用X射線光譜學辨別具有超導性的顆粒材料。Wampler 介紹說，Grave Nunataks隕石中的超導體是由銦和錫構成的合金。慕拉比拉鐵隕石中的超導體似乎是銦、錫和鉛的合金。兩種都是臨界溫度在5開爾文左右的著名超導體。

儘管這些超導體並不獨特，但研究結果表明，超導性在宇宙中是普遍存在的。Wampler表示，「如果它能出現在隕石中，那麼就有可能存在於任何地方。」雖然他拒絕猜測最新成果對天體物理學帶來的影響，但Wampler表示，「宇宙中很多地方的溫度低於5開爾文」。隕石在超越實驗室條件的壓力和溫度下產生，因此最終的希望是它們可能含有對人類來說未知的超導化合物。

Paglione同樣認為，該領域需要尋找新的材料。「雖然有很多人在尋找新材料，但大家似乎遇到了瓶頸。」（徐徐編譯）

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