經過一個多世紀,物理學家終於造出了第一個室溫超導體

2020-11-25 騰訊網

經過一個多世紀的等待，物理學家終於創造出了第一個室溫超導體。

這是由羅切斯特大學的物理學家Ranga Dias領導的研究研究團隊，公布於10月14日的《自然》雜誌上的一項研究結果。這一新的發現將人們對室溫超導的期待再度推向新的高點。

一直以來，所有超導體的運作前提都是必須確保超導材料被冷卻到很低的溫度，甚至是極低的接近絕對零度的溫度，這使得在大多數情況，它們都無法被應用。而新的突破是一項裡程碑式的結果，它喚起了人類對未來科技的無限遐想。

超導性的歷史可以追溯到上世紀初。1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在對水銀進行實驗時，首次發現當水銀被冷卻到4.2K（約-269℃）時，其電阻會突然下降到0，這種情況下的電流可以在沒有任何熱損耗的情況下不間斷地流動。

1957年，物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·庫珀（Leon Cooper）和約翰·施裡弗（Robert Schrieffer）提出的BCS理論解釋了這一現象：在低溫環境下，移動的電子在超導體中會形成一對一對的電子對，即所謂的「庫珀對」，這些庫珀對在晶格中可以無損耗運動，形成超導電流。

1986年，兩位物理學家在銅氧化物材料中發現，超導性出現的「臨界溫度」（Tc）可以稍微再高一些，大約30K（約-243℃）左右。很快，其他小組也製造出了相關材料。到了1994年，科學家已經可以在高壓之下，將水銀基的銅氧化物的臨界溫度提升到164K（約-109℃）。自1994年以來，這種銅氧化物在很長一段時間內都維持著最高的臨界溫度記錄，其溫度值在大氣壓強和高壓下分別為133K（約-140℃）和164K。

故事說到這裡，就已經到了室溫超導的盡頭嗎？等等，讓我們把時間往回倒退一點，回到上世紀60年代。

1968年，康奈爾大學的物理學家尼爾·阿希克夫（Neil Ashcroft）根據BCS理論預測出，有一種不同類型的材料應該能在室溫環境下表現出超導性，這種材料就是高壓下形成的固態氫（1935年，理論物理學家尤金·維格納預言，在超過地球表面大氣壓的400萬倍高壓下，固態氫可以表現出導體性質）。

2004年，阿希克夫提出，或許可以將氫與另一種元素結合，以此可以產生一種「化學預壓縮」，從而使得有可能在較低的壓力實現高溫超導。這個提議似乎是可行的。

2015年，由馬克斯·普朗克化學研究所的物理學家Mikhail Eremets領導的研究團隊通過壓縮氫和硫，在203K（約-70℃）的溫度下，在H S中發現了超導性。在實驗中，他們所使用的壓強是155 GPa，是地球大氣壓的100萬倍。

在接下來的幾年裡，Eremets研究人員又和其他團隊一起，將含鑭的富氫化合物的超導臨界溫度提高到了250K（約-23℃），在其中的一些樣品中，這一溫度甚至有可能高達280K（約7℃）。但這一切的前提條件都是必須對物質施與高壓，一旦撤去高壓，所有的化合物就會分解，無法穩定存在。

在新的研究中，Dias和他的同事想，是否可以通過加入第三種元素來進一步提升臨界溫度？

他們選用的這第三種元素是碳，碳會與鄰近原子形成強鍵。實驗是通過一種名為金剛石壓砧室的裝置完成的，這是一種只有手掌大小的裝置，目標物質會被置於兩顆金剛石的頂端之間，並被施與巨大的壓力。

在實驗中，他們把用碳和硫研磨而成的微小固體顆粒置於金剛石壓砧室中，然後用輸入三種氣體——氫氣、硫化氫和甲烷，再然後，他們用綠色的雷射照射金剛石，引發化學反應，使碳、氫、硫混合物變成一種透明晶體。

當他們將壓力提高到148GPa時，發現合成的晶體可以在147K（約-126℃）時變成超導材料；通過將壓強增加到267GPa，超導的臨界溫度甚至達到了288K（約15℃），這個溫度是一個寒冷房間或一個理想酒窖就可以輕易達到的溫度。

當研究人員最初看見這一幕時，他們不敢相信眼前的事實。他們對這種材料的其他樣本進行了分析，並研究了它們的磁性。我們知道，超導體和磁場會發生碰撞，強磁場會抑制超導性。在實驗中，研究人員發現，當將這種材料置於磁場中時，需要更低的溫度才能使其具有超導性。這些磁場測量結果表明，這些材料的確已經表現出了可靠的超導性。

很顯然，在這項最新研究中，關於壓力的問題仍然存在：雖然他們發現了首個可在低於15℃的溫度下就能展現出超導性的材料，但這種新型超導材料仍然只能在極高的壓力下才能運作。這種極端條件意味著，目前它還無法被應用於實踐。

此外，研究人員目前還無法確定這種新的超導材料的精確結構。他們表示，這正是他們接下來將著手研究的，以便更完整地對這種材料進行描述。並且他們還可能會開始使用其他元素來替代這個氫基化合物中的成分，看是否有可能產生溫度更高的超導體。

儘管問題和未知仍然存在，但是科學家們的目標非常清晰。他們的最終願望就是要找到一種可以在無需高壓擠壓的情況下運作的室溫超導體。一旦做到這一點，那麼室溫超導的應用夢想就有望實現，人類的科技和生活也可能因此徹底改變，人類或許將從此進入一個「超導社會」。

對此，很多物理學家樂觀地認為這一切是有可能的，他們認為創造出完全的室溫超導體是遲早的事，因為一直以來科學家都在朝著這個方向努力。而且新的發現再次表明，超導中的室溫障礙是可以被突破的。只是在那天真正到來之前，科學家或許還有一段艱苦的道路要走。

參考來源：

https://www.sciencenews.org/article/physics-first-room-temperature-superconductor-discovery

https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achieved

封面圖來源：J. Adam Fenster / University of Rochester

相關焦點

  • 物理學家首次發現室溫超導體
    紐約的一組物理學家發現了一種材料能在室溫下以完美效率導電由氫、碳和硫組成的化合物能在 59 華氏度以超導體工作，比之前的高溫超導體溫度記錄高 50 度。凝聚態理論物理學家 Ion Errea 說，這是第一次我們真正能宣稱發現了室溫超導體。不過這種超導體材料還不具有實用價值，原因是它需要超高壓才能實現室溫超導。材料科學家現在面臨的挑戰是尋找一種能在室溫和日常壓力下工作的超導體。每解決一個問題我們離超導就更進一步。
  • 新的室溫超導體
    10月14日研究人員完成了一項長達數十年的探索，他們創造出了第一種不需要冷卻就能消除電阻的超導體。 有一個問題：新的室溫超導體只能在相當於地球中心四分之三的壓力下工作。
  • 室溫超導體,科幻還是現實?
    為什麼科學家對室溫超導體的發現，會反映如此冷淡呢？ 超導到底是個啥 要說室溫超導是啥，先得回答什麼是超導。從字面意思上，超導就是超級導電之意。 超導體導電能力有多強？在一定溫度（定義為超導臨界溫度）之下，超導體電阻為零。
  • 探索高溫超導體的秘密!物理學家捕捉到了一種神秘的波
    物理學家終於捕捉到了超導體的波第一個對密度波的物質相的直接證據有助於揭示神秘高溫超導體的物理學原理。超導體在驚人的高溫下無電阻導電。研究人員在4月1日的《自然》雜誌上報告說，這種波是用掃描隧道電子顯微鏡探測到的。物理學家曾懷疑在這些材料中存在著對密度波，而之前的實驗已經暗示了它們的存在。但是沒有直接的證據，科學家們就無法進一步了解這些材料。
  • 首個室溫超導體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀錄,超高壓下展現...
    完全抗磁性通俗來講就是對磁場的排斥現象，於 1933 年由 Walter Meissner 和 Robert Ochsenfeld 兩位物理學家對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發現，這種現象在科學界有個專業的名字——邁斯納效應（Meissner effect）。究其歷史，科學家們最初發現超導體是在近一個世紀前。
  • 首個室溫超導體來了，超導技術的春天到了嗎？
    人類夢寐以求的室溫超導體終於來了！用昂貴鑽石打造首個室溫超導體的研究有什麼意義？走進生活，常溫常壓的超導材料還有多遠？換而言之，人類夢寐以求的室溫超導體終於來了。作為專業從事超導材料研究超12年的內行，他指出："因為早在10多年前，咱們中國的物理學家就預言過，富含氫的材料理論上是可以做到室溫超導的，只是當時我們受到實驗設備等硬體所限，沒辦法親自驗證。
  • 首個室溫超導體登上 Nature 封面！15°C 刷新紀錄，超高壓下展現超導特性
    在最新一期的《自然》雜誌（Nature）封面上，也寫著一串激動人心的英文單詞：Superconductivity finally reaches room temperature（室溫下也終於能實現超導特性了）。
  • Nature雜誌封面:世界上首個室溫超導體問世
    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。
  • 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!
    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。
  • 物理學家首次發現高溫超導體，實現無損輸電將不是夢
    經過幾十年的嘗試，物理學家終於首次在室溫下實現​超導這個低溫超導電性理論是由美國物理學家巴丁-庫珀-施裡夫於1957年創立，根據它們名稱簡寫為BCS理論​。BCS理論是第一個成功的微觀超導理論，它很好地解釋了大多數元素的超導性質​。但高溫超導體的奇異行為，使BCS理論遇到了挑戰。傳統材料中，佔主導力量的相互作用較單一，使理論​求解大大簡化。
  • 關注| 首個室溫超導體來了,超導技術的春天到了嗎?
    按這一思路，羅切斯特大學研究團隊幾經嘗試最終發現，在267萬個大氣壓，這種材料只需在15°C的室溫條件下，其電流電阻就能歸零。換而言之，人類夢寐以求的室溫超導體終於來了。　　▲因為具有完全抗磁性特性而懸浮於空中的超導體。
  • 室溫超導體即將問世，人類可能不再需要使用到電池？
    材料一組科學家首次創造了一種超導體材料，這種材料可以在室溫下完全暢通無阻地供電。據《麻省理工技術評論》報導，這是幾十年以來物理學家們的最想達到的目標，也一直被大家認為是不太可能實現的，但現在卻有一種超濃縮材料能夠在華氏58度也就是攝氏15℃下作為超導體的材料。
  • 首個室溫超導體問世,為它廢了數十顆金剛石
    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。
  • 科學家發現了第一個室溫超導體
    照一隊紐約的物理學家發現了一種可以在室溫下以最佳效率導電的材料，這是一個長期的科學裡程碑。研究小組在《自然》雜誌上報導說，氫，碳和硫的化合物可在高達59華氏度的溫度下作為超導體運行 。這比去年創下的高溫超導記錄高出50度以上。西班牙巴斯克大學的凝聚態理論家埃恩·埃雷亞（Ion Errea）表示：「這是我們第一次真正可以說發現了室溫超導性。」
  • 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
    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。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。
  • 科學家發現常溫超導體 一個屬於超導體的新時代即將開啟
    就在不久前，美國一位材料科學家拉塞爾·海姆利在美國物理學會的月度會議上高調的宣布，他們發現了新的超導體，有望開啟一個超導體的新時代。會議上，海姆利通過大屏幕演示了新的超導體演變的全過程。大海撈針一個多世紀以來，物理學家一直在尋找相對高溫條件下的超導材料，但這就像想在地上撿到金子一樣困難。過去所有的經驗和理論即使給你提供一些線索，你也始終不會知道它在哪裡，只有做昂貴而費時的依次檢查確認。
  • 尋找常壓室溫超導體
    由科技日報社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2020年國際十大科技新聞，包括室溫超導在超高壓下首次實現。這說明在高壓和接近常溫的條件下，LaH10變成了超導體。2020年另一個美國團隊，製備出一種有機源氫化物材料，首次在高達15攝氏度的溫度下觀察到室溫超導現象。他們發現一種含碳的硫化氫超導體C-S-H在約260萬倍大氣壓力，溫度低於15攝氏度的情況下，電阻消失了。研究小組對材料施加振蕩磁場時發現，當材料達到超導體條件時，它會將磁場從其內部排出，這是C-S-H真實具有超導性的另一個證據。
  • 英媒：室溫超導體問世或引發能源革命
    英國《新科學家》周刊網站10月14日發表題為《第一種室溫超導體可能引發能源革命》的報導，全文摘編如下：幾十年來，室溫超導一直是材料科學領域的熱門詞。現在，它或許終於成為現實，有可能徹底改變我們的用電方式。我們生產出來的大量能源因電阻而浪費，電阻能生熱。但在超導材料中，電流遇到的阻礙幾乎為零，因而不會造成這些損失。
  • 室溫超導:從瞬態到穩態還有多遠—新聞—科學網
    那一座座大山之所以能夠懸空，是因為山中蘊藏著一種神奇的室溫超導礦石，它藉助母樹附近的強大磁場「託起」了哈利路亞山。 其實，自1911年發現無阻抗電力傳導理論以來，「室溫超導」之謎就一直困擾著科學家。 不過，近日傳來了一個好消息：藉助短波紅外雷射脈衝的幫助，德國馬普研究所的研究人員成功製成室溫下的陶瓷超導體——儘管其維持的時間僅有百萬分之幾微秒。
  • 室溫超導體——Munbrabilla鐵隕石
    歡迎各位朋友們來到星石空間站，本次星際知識之旅將為您簡單介紹來自太空的天然室溫超導體——Munbrabilla鐵隕石。Munbrabilla鐵隕石或許對收藏隕石的朋友並不陌生，是國內隕石市場中常見但稀有的鐵隕石。那麼它又能為人類提供了哪些更有科學價值的信息呢？一起了解一下吧！