推進常溫超導體--中國數字科技館

左：採用金剛石壓砧方案研究LaH10在靜態高壓下的特性；右：Hemley和Eremets的小組觀察到的籠狀晶體結構。（圖片來源：APS/Alan Stonebraker）

 

在1911年，超導性（無阻材料的導電能力）在臨界溫度（Tc）4.2K下的固體汞中首次被觀察到。從那以後，無數科學家都在尋找一種臨界溫度超過常溫的材料。在很長時間裡，這神聖的聖杯似乎無法被觸及——對1911年到1970年的研究進展的線性推斷，表明臨界溫度將在2840年達到常溫。銅氧化物的高溫超導性的發現使臨界溫度提高到了液態氦之上。從1994年以來，其中的一種銅氧化物保持著最高的臨界溫度的記錄（大氣壓下133K，高壓下164K）。儘管此前進行了大量的實驗，仍花了二十年時間在一個全新的超導體類別中打破這項記錄：在2015年，在對硫化氫壓縮到150Gpa時（40%的地心壓強），產生了203K的臨界溫度。值得注意的是，兩個獨立的研究小組，第一個是由華盛頓特區喬治華盛頓大學（the George Washington University in Washington, DC）的Russell Hemley領導，第二個是由德國馬克斯普朗克化學研究所（the Max Planck Institute for Chemistry）的Mikhail Eremets領導，已經報告表明了，在鑭的氫化物壓縮到170~185Gpa時，其超導臨界溫度在250—260K之間，這些結果預示著尋找常溫超導體的進展順利——報告中提及的這些材料已經可以在不需要冷卻的情況下在北極冬天夜晚的平均溫度下工作了！

在1968年，物理學家Neil Ashcroft根據Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理論預測，金屬氫應具有高溫超導體的所有性質。不幸的是，在靜態壓縮實驗中金屬化氫是很困難的。Ashcroft進一步預測，某些富氫固體能在低於氫元素的壓強下金屬化，並且它們也將具有高溫超導體的性質。這一假設促進了對壓縮氫化物的超導性的研究，這些固體含有與其他元素結合的氫原子。

為了研究這些壓縮材料的超導性，研究人員需要進行靜態高壓實驗，其中這些材料要被金剛石壓砧單元中擠壓（圖一，左圖）。這些實驗費用昂貴，技術上具有挑戰性，而且很難進行研究。並且在高壓強下穩定的物體相位可能與在我們所知的大氣條件下的相位不相同。因此，基於量子力學的計算指導這些實驗變得極其重要，尤其是精確定位那些有前途的化合物。

在過去10年裡，這些理論和計算方法都集中在二元氫化物上。研究人員已經計算出一些含鹼土金屬或稀土金屬的氫化物的臨界溫度值極高，一些甚至超過常溫。例如，在2017年由Hemley和Yanming Ma領導的小組預測，在某些特定的稀土元素氫化物中，有著高氫-金屬比例的氫化物將在金剛石壓砧單元可達到的壓強下變得穩定。這些富氫材料的晶體結構令人聯想起被叫做絡合物這一化合物的籠狀結構。最有前途的氫化物之一，鑭氫化物（LaH10），由一個具有正方形或六邊形表面的多面體氫晶格組成（圖1，右圖），其中稀有金屬原子位於每個多面體的中心。假設這個系統可以用BCS理論描述，研究人員預測升壓至200GPa時，其臨界溫度在270和290k之間。

2018年初，Hemley的研究小組成功合成LaH10。現在，在金剛石壓砧單位的極端壓力下，Hemley和Eremets的小組宣告獲得了LaH10的超導性實驗特徵。為了精確測定微米寬的LaH10樣品的電阻，兩個小組都需要確保樣品和電極的可靠接觸，並控制樣品的成分與實驗條件（例如，防止附加相移的形成）。Hemley的研究小組開發了一種新的人工合成技術，以氨氮硼烷（NH3BH3）為氫源，原相位生產LaH10。當樣品在185Gpa的壓強下冷卻時，他們發現電阻大幅下降，這表明其臨界溫度在260K。第二輪實驗則表明了，在200Gpa的壓強下臨界溫度可能能高達280K。X射線衍射測量表明超導相是LaH10，排除了電阻下降是由於溫度誘導結構變化的可能。

Eremet的小組用元素鑭或三氫化鑭和氫直接反應人工合成氫化物。通過觀察電阻的大幅下降，他們得出臨界溫度是壓強的函數。對LaH10而言，壓強逐漸升高到170Gpa其對應臨界溫度也增長到250K。另一個未經識別的氫化物與同一樣品中的LaH10共存，臨界溫度為215K。Eremets的團隊還觀察到了兩個超導性的特徵信號。首先，磁場的應用將降低臨界溫度，正如對BSC二型超導體的預期。第二，臨界溫度表現出了同位素效應，當氫被更重的氘代替時，臨界溫度將下降。

這些數據強烈暗示了超導性，但要證明它驅散疑惑的陰影，那麼就有必要觀察邁斯納效應（Meissner effect）——即當一個材料成為超導材料時，會對磁場產生排斥。然而，測量這個效應是具有挑戰性的：對於先前的最高臨界溫度的保持者，硫氫化物，在最初報告其有超導性的幾年後才證明了其有邁斯納效應。由於鑭氫化物的樣品明顯小於硫氫化物樣品，證明LaH10的邁斯納效應需要大量的實驗努力。

樣品中包含的多晶體晶格還需要進一步的理論和實驗工作來識別。這些數據強烈表明其中的一個結構是LaH10，但其他結構的身份仍然未知。這一信息對於理解晶體結構與超導性之間的關係，以及可能揭示出具有更高臨界溫度的新超導相位是至關重要的。LaH10的臨界溫度之高無疑會激勵實驗工作者去研究類似的化合物，比如說，預計氫化釔的臨界溫度將超過常溫。

在超導領域裡，大部分的突破都是出乎意料的，常常與當時的主流意識相悖。氫化物的出現表明，這種情況將不會繼續：理論計算可用來合理設計高臨界溫度的BCS型新材料超導體。計算能力的進步可能將使我們找到其他更複雜的物質，這種物質與二元氫化物（如LaH10）不同，能在減壓時保持穩定。新的晶體合成和表徵技術將理論思想得到實驗驗證。多虧了理論與實驗之間的反饋循環，不久我們可能會製造出新的超導體，這種超導體能在接近常溫下工作並且比用金剛石壓砧更容易製備，只需能將粉末壓縮成藥片的壓力就足夠了。

這份研究發表在《物理評論快報》上。

作者：Eva Zurek，美國紐約州立大學布法羅分校（University at Buffalo, SUNY, Buffalo NY, USA）化學系

翻譯：王麟濤

審校：郝豪

引進來源：American Physical Society

引進連結：https://physics.aps.org/articles/v12/1