《自然》:人類首次實現高壓下室溫超導

2020-12-06 騰訊網

導讀

美國羅切斯特大學物理系助理教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）的研究團隊，首次創造出了一種碳質硫氫化合物固體分子，這種材料在約15攝氏度和約267Gpa的壓強下表現出超導性

圖/科學探索官微

文丨記者 徐路易

人類首次在「較涼爽」的常溫下實現了材料的超導狀態。美國羅切斯特大學物理系助理教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）的研究團隊，創造出了一種碳質硫氫化合物固體分子，這種材料在約15攝氏度和約267Gpa的壓強下表現出超導性。這一研究於當地時間10月14日刊登在當期《自然》雜誌封面。

超導顧名思義就是「超級導電」的能力，導體具有什麼樣的導電性才可以在科學上被稱為「超級導電」？就是當電流通過的時候，沒有因為受到任何阻力而導致損失，即該導體的電阻為零。超導現象通常在極低溫狀態下出現，超導體有一個特性臨界溫度，低於這個臨界溫度後，導體的電阻就會突然降到零，變為「超導體」。1911年，荷蘭科學家海克·昂內斯（Heike Onnes）等人發現汞在接近絕對零度（約-273.15攝氏度）的極低溫下，電阻會消失，從而呈現超導狀態。在沒有電源的情況下，通過一圈超導導線的電流可以無限期地持續下去。

此外，超導體擁有了零電阻後，還可以將所有磁場從材料中排出，也就是說超導體內的磁感應強度也為零。在實驗中，將一種材料降溫到超導態再放入外磁場中，那麼外磁場的磁力線都無法穿透到超導體內部，這種效應被稱為「邁斯納效應」。1986年，科學家發現一些銅酸鹽鈣鈦礦陶瓷材料的臨界溫度高於 183攝氏度（90 開爾文），這樣的溫度對於人們生活的環境來說仍然太低，但對於傳統的超導體來說已經達到了理論不可能「高」的臨界溫度，因此這種材料被稱為高溫超導體。

超導材料最直接的應用就在於電能傳輸，如果室溫超導材料能夠以更方便維護、成本更低的方式應用，這能夠使得電網在傳輸電能時減少2億兆瓦的能量，同時超導在懸浮列車、核磁共振成像方面也有多種應用。但人們距離觸碰到這種珍貴的材料，還有兩個必須跨越的坎——極低溫、極高壓。不管是實驗室研究還是實際應用，這兩個條件目前仍需要較高的成本去實現和維護。

此次研究團隊的結果在溫度上實現了突破。他們選取了硫化氫和甲烷這兩種氫化物混合在一起放在金剛石壓腔中，用雷射觸發樣品的化學反應，並觀察晶體的形成。隨後，研究團隊開始降低實驗溫度，如果通過材料電流的電阻降到零，即表明樣品已經變得超導了。隨後研究團隊開始增加壓強，發現臨界溫度可以越來越高，團隊的最佳結果是，當到達到267Gpa的高壓時，只需把樣品降低至15°C，就能觀察到電阻消失的現象。這一壓強相當於海平面平均氣壓的約260萬倍，而地球地心處的壓力約為300GPa。

此前，超導材料的最高臨界溫度由埃雷米茨以及美國伊利諾伊大學物理學家拉塞爾·赫姆利（Russell Hemley）的研究小組實現。該研究團隊在2019年報告了鑭超氫化物在-23攝氏度左右的超導性。

數十年前，美國康奈爾大學理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）就曾做出預測，氫在受到充分擠壓後，可能在室溫下變成金屬；且富氫材料可能在遠高於想像的溫度下實現超導狀態。但純氫很難使用。2014年7月，時任吉林大學物理系教授的崔田及其團隊進一步做出理論預測，在200GPa的高壓下，硫化氫可以在-83攝氏度至-69攝氏度之間實現超導特性。2015年8月，德國馬克斯普朗克研究所物理學家米哈伊爾 · 埃雷梅茨 （Mikhail Eremets）團隊在-70攝氏度下實現了硫化氫的超導特性，驗證了崔田團隊的理論預測，一下子將超導體的臨界溫度提高了100攝氏度。

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