Nature 封面：科學家製備出世界上第一個常溫超導材料

2020-10-15 鈦媒體APP

文丨學術頭條

10 月 14 日，本周最新一期《自然》封面，介紹了羅徹斯特大學發表的一篇重磅論文，研究人員創造出一種氫化物材料，首次在高達 15 攝氏度的溫度下，觀察到常溫超導現象。

這是高溫超導材料的全新記錄，這一突破性進展也代表著，人類向著長久以來希望創造出具有最優效率電力系統的目標又邁近了一步。

圖｜最新一期 Nature 雜誌封面

超導現象指電能可以在超導材料中零電阻通過，但是，這種超導效應以前只是在接近絕對零度的溫度下才能觀察到。而如果能夠實現常溫超導，則全球化電力供應的夢想將成真。

論文通訊作者、羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授 Ranga Dias 表示，開發在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料，是凝聚態物理學的 「聖杯」。無數科學家已經尋找了一個多世紀。一旦找到，這些材料 「絕對可以改變我們所熟悉的世界。」

「由於低溫的限制，具有如此優異性能的材料並沒有像許多人想像的那樣徹底改變世界。然而，我們的發現將打破這些障礙，並為許多潛在的應用打開大門。」Dias 說。

物理學家夢寐以求的室溫超導材料

超導現象在 1911 年首次被發現，它賦予了材料兩個關鍵的特性：電阻消失和完全抗磁性。完全抗磁性又稱邁斯納效應，指在磁場強度低於臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為零的現象。

強大的超導電磁元件已經成為磁懸浮列車、核磁共振成像 (MRI) 和核磁共振 (NMR) 機器、粒子加速器和其他先進技術的關鍵部件，包括早期的量子超級計算機。

但是，這些設備中使用的超導材料通常只能在極低的溫度下工作——這比地球上的任何自然溫度都低。這一限制也使得維護它們的成本很高，而且擴展到其他潛在應用程式的成本太高。

「將這些材料保持在低溫下的成本太高，你無法真正充分利用它們，」Dias 說。

在此之前，超導材料的最高溫度是 2019 年德國馬克斯・普朗克化學研究所和伊利諾斯大學芝加哥分校的實驗室裡達到的。當時，該小組報告了用鑭-氫化物在零下 23℃左右下的超導性。

近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學物質作為高溫超導體的潛在候選者。然而，作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有希望的元素。

「要實現高溫超導體，你需要更強的化學鍵和更輕的元素。這是兩個非常基本的標準，」 Dias 解釋道，「氫是最輕的材料，氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上講，固體氫具有德拜特徵溫度和強電子 - 聲子耦合，這是室溫超導所必需的。」

然而，僅僅是將純氫轉化為金屬狀態就需要非常高的壓力。2017 年，哈佛大學教授艾薩克・西爾維拉 (Isaac Silvera) 和當時在西爾維拉實驗室做博士後的 Dias，首次實現了這一目標。

而這次為了創造新的記錄，Dias 在羅徹斯特大學的實驗室將氫、碳和硫元素，在一個金剛石壓腔中（用於在極高壓下極微量材料的實驗裝置）通過光化學合成簡單的碳質硫氫化物，將可以實現零電阻的溫度提高到了 15 攝氏度。

這也是人類第一次在室溫下觀察到具有超導特性的材料。

意義重大，挑戰也更大

「我們生活在一個半導體社會，有了這種技術，你可以把社會帶入一個超導社會，在那裡你再也不需要電池之類的東西。」 這項發現的論文共同作者、內華達大學拉斯維加斯分校的 Ashkan Salamat 說。

但是，這次研究人員創造出的常溫超導材料，也有存在一些嚴重的限制。

他們觀察到的超導現象，是在 2670 億帕壓力條件下實現的，而這個壓力約是標準胎壓的一百萬倍。這一壓力目前只能在接近地球中心的極高壓力下存在，而且，他們在金剛石壓腔中產生超導現象的材料數量，是及其微量的，只能用皮升來表示（1 皮升大約是 10^-9 毫升），這都意味著這一材料不會立即有任何實際應用。

儘管如此，物理學家還是希望它能為開發在低壓下工作的零電阻材料鋪平道路。研究人員表示，他們的下一個目標，將是在環境壓力下觀察常溫超導現象。

在研究人員的這套系統中，雷射和壓力被用於將前體元素（碳、硫和分子氫）轉化為超導材料。當降低實驗溫度時，通過該材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經具有超導性，然後，他們開始增加壓強，超導臨界溫度隨壓力增加而上升，達到了實驗中實現的最高壓力值。

研究人員認為，通過化學方式控制上述系統，或有助於降低所需的壓力。「下一個挑戰是找到在較低壓力下製造常溫超導材料的方法，這樣就可以在更大的產量上節省成本。」Dias 說。

據了解，Dias 等人還創辦了一家新公司，名為 Unearthly Materials，旨在尋找一種在環境壓力下可規模化生產的常溫超導體。

但是，馬克斯·普朗克研究所的物理學家 Mikhail Eremets 警告說，關於這種物質還有很多未知。「還有很多事情要做。」

紐約州立大學布法羅分校的計算化學家 Eva Zurek 表示，由氫和另一種元素構成的高壓超導體已經被人們很好地理解。研究人員也用電腦模擬了碳、氫和硫的高壓混合物，但是這些研究不能解釋 Dias 小組觀察到的異常高的超導溫度。

「我相信，在這篇論文發表後，許多理論和實驗小組都會對這個問題進行研究。」

參考資料：

https://phys.org/news/2020-10-room-temperature-superconducting-material.html

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

相關焦點

  • Nature封面報導：科學家製備出世界上第一個常溫超導材料
    自1911年Onnes在4.2K的低溫下發現汞的超導電性，一直以來，高溫乃至室溫超導都是理論和實驗物理領域的挑戰。　　近些年，高壓下富氫材料的高溫超導電性被多次報導，也曾有中國科學家預言，H2S可能在高壓下轉變為高溫超導體。
  • Nature 封面:科學家製備出世界上第一個常溫超導材料
    文丨學術頭條 10 月 14 日，本周最新一期《自然》封面，介紹了羅徹斯特大學發表的一篇重磅論文，研究人員創造出一種氫化物材料而如果能夠實現常溫超導，則全球化電力供應的夢想將成真。 論文通訊作者、羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授 Ranga Dias 表示，開發在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料，是凝聚態物理學的 「聖杯」。無數科學家已經尋找了一個多世紀。
  • 《自然》封面：刷新記錄！科學家製備出世界上第一個常溫超導材料
    10 月 14 日，本周最新一期《自然》封面，介紹了羅徹斯特大學發表的一篇重磅論文，研究人員創造出一種氫化物材料，首次在高達 15 攝氏度的溫度下，觀察到常溫超導現象這是高溫超導材料的全新記錄，這一突破性進展也代表著，人類向著長久以來希望創造出具有最優效率電力系統的目標又邁近了一步。
  • 《自然》封面：科學家製備出世界上第一個常溫超導材料
    ，觀察到常溫超導現象。這是高溫超導材料的全新記錄，這一突破性進展也代表著，人類向著長久以來希望創造出具有最優效率電力系統的目標又邁近了一步。無數科學家已經尋找了一個多世紀。一旦找到，這些材料 「絕對可以改變我們所熟悉的世界。」「由於低溫的限制，具有如此優異性能的材料並沒有像許多人想像的那樣徹底改變世界。
  • Nature封面報導：15°C！刷新記錄！科學家製備出世界上第一個常溫超導材料
    自1911年Onnes在4.2K的低溫下發現汞的超導電性，一直以來，高溫乃至室溫超導都是理論和實驗物理領域的挑戰。近些年，高壓下富氫材料的高溫超導電性被多次報導，也曾有中國科學家預言，H2S可能在高壓下轉變為高溫超導體。
  • Nature封面報導:15°C!刷新記錄!科學家製備出世界上第一個常溫...
    近些年，高壓下富氫材料的高溫超導電性被多次報導，也曾有中國科學家預言，H2S可能在高壓下轉變為高溫超導體。，並製備出所需的材料結構，要知道在這樣的極端條件下僅僅是把所需的反應物放入就不是一件容易的事。
  • 美國科學家實現「超高壓常溫超導」
    Adam Fenster美國羅徹斯特大學的科學家成功地獲得了一種常溫超導材料。這種材料能夠在大約攝氏14度（287K）的常溫條件下表現出超導性。然而這是在265萬個大氣壓的超高壓條件下實現的。相關研究成果以「封面故事」的形式出現在了15日的《自然》雜誌上。
  • 科學家製備出世界上首個常溫超導材料，超導體為世界僅有
    他就是超導體，據14且在《自然》上發表的一篇文章，美國羅徹斯特大學Ranga Dias 實驗室的研究人員成功合成一種在15°C、超高壓強條件下實現超導的材料，創下超導溫度的新紀錄。由於氫是最輕的材料，且氫鍵具有極強的化學鍵，富氫材料被認為是有望實現高溫超導的一個方向。目前，我國也正在研發超導體，在不久的將來，超導體可能由於動力行業。
  • Nature雜誌封面:世界上首個室溫超導體問世
    在15℃溫度下，竟然也能觀察到超導現象！ 這就是來自羅切斯特大學的最新研究，他們設計出了一種新型氫化物，可以在這般「高溫」下，無任何電阻地導電。 科學家發現，這種由氫-硫-碳組成的材料，在巨大的壓力（大約是地球核心的75%）下，室溫時就能轉變成超導體。
  • 證明存在常溫超導(室溫超導)材料
    證明存在常溫超導（室溫超導）材料作者：馮美良1什麼是超導超導體（英文名：superconductor），又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。當磁鐵靠近超導體時，超導體感應出與之相反的電流，因為電阻為零，所以電流一直流動，表現為完全抗磁性。如果是一般導體這電流則會因此電阻而快速轉換為熱量，失去完全抗磁的特徵。那麼我們可以重點分析這些反常抗磁性的材料。看看這些材料異常的根本原因。
  • 科學家首度合成出室溫超導材料，在15℃展現超導特性
    超導材料雖然因零電阻、抗磁性而威名遠播，但將其技術化的困難點仍在於，這些材料只能在低溫高壓環境中發揮作用，也因此，尋找室溫下具有超導特性的材料，是科學家夢寐以求的目標。現在科學家似乎成功了，來自羅徹斯特大學的工程師和物理學家們，首次在高壓力下開發出室溫超導材料，於15℃出現超導特性。
  • 科學家首度合成出室溫超導材料,在15℃展現超導特性
    超導材料雖然因零電阻、抗磁性而威名遠播，但將其技術化的困難點仍在於，這些材料只能在低溫高壓環境中發揮作用，也因此，尋找室溫下具有超導特性的材料，是科學家夢寐以求的目標。現在科學家似乎成功了，來自羅徹斯特大學的工程師和物理學家們，首次在高壓力下開發出室溫超導材料，於15℃出現超導特性。
  • 人類首次實現室溫超導!研究登上《自然》封面
    據最新一期《自然》的封面文章，美國羅切斯特大學的科學家們在260萬個大氣壓下，成功創造出了臨界溫度約為15℃的室溫超導材料，這是人類首次實現室溫超導。現有的超導材料大都需要在極低溫下才能工作，這大大限制了它們的大規模應用。因此，找到一種室溫超導材料，是物理學家長久以來的夢想。而今，我們迎來了人類探索超導之路上的裡程碑事件。讓電阻消失其實，現在距離首次發現超導現象足足有100多年了。
  • 人類首次實現高壓下室溫超導,研究登上Nature封面
    「室溫超導有可能實現嗎？」這個問題困惑了人們許多年。而最新一期的 Nature 雜誌封面研究給出了肯定的答案，該研究製造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導體。這項研究從投稿到接收僅用了不到十天的時間，並登上了最新一期 Nature 雜誌的封面，或可說明其重要性和突破性，畢竟實現室溫超導對於人類而言尚屬首次。
  • 人類首次實現高壓下室溫超導，研究登上Nature封面
    「室溫超導有可能實現嗎？」這個問題困惑了人們許多年。而最新一期的 Nature 雜誌封面研究給出了肯定的答案，該研究製造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導體。「室溫超導問題」經過了數十年的探索，本周來自羅切斯特大學等機構的研究者稱他們製造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導體，不過新的室溫超導體只能在相當於地心壓力四分之三的環境下工作。
  • 我國科學家提出製備常溫超導體「金屬氫」新方法
    新華社濟南4月1日電（記者蕭海川）在掌握氣態、液態、固態的製備方法後，如何製備「金屬氫」是科學界正努力攻關的難題。近期，山東大學趙明文教授團隊提出利用碳納米管高機械強度的特點，在碳納米管中以相對「較低」的壓力製備與保護準一維「金屬氫」，並由此發展出相應的理論模型。
  • 中國稀土在超導材料中的應用
    這麼低的溫度，這麼高的使用成本限制了超導材料的大規模使用。那有沒有可能研發一種常溫的超導材料呢？哪怕是可以用液氮冷卻的材料也行啊，畢竟液氮的生產成本只有液氦的百分之一呀！換句話說，誰能製備出在77開（即-196℃）以上，依然具有超導性質的材料，誰就得到了超導材料界的聖杯。
  • 俄科學家常溫超導獲突破!-20℃即可實現零電阻,或引領全球發展
    科學前沿觀天下 篤學明理洞寰宇常溫超導一直以來都是全球科學家的夢想。可以說，如果誰掌握了研發常溫超導的技術，誰就將一躍成為全球科學科技的尖端選手。最近，來自莫斯科物理技術研究院的科學家開創性地設計了一個計算程序，能夠準確預測出哪些元素可以與氫（H）結合，從而實現「常溫」超導體的可能性。自20世紀80年代以來，科學家發現一些特殊材料可以利用其外圍電子形成穩定的庫珀對，實現零電阻的超導體。然而，庫珀對的穩定需要聲子的振動來保持，所以材料需要冷卻到-234.5℃才可以。
  • 常溫超導是天方夜譚?德國科學家獲突破:超導時代離我們越來越近
    科學前沿觀天下 篤學明理洞寰宇超導技術被譽為一項顛覆世界的重要科技，也是當代物理學的終極目標之一。然而，要想實現電流的零阻力傳輸，目前必須在極端低溫條件下才能實現，應用成本高昂且難度大，零攝氏度以上的超導更是「天方夜譚」。不過近日，德國科學家取得了一項突破性的成果，引發全球媒體的高度關注。長久以來，世界上許多實驗室專注於這一課題的研究，科學家們不斷提出高溫超導的新主張，但這些想法都未能通過可重複性測試。
  • 闢謠:中國天才發現常溫超導?假的
    新聞內容大概是中國天才少年曹原發現了超導材料。原文關鍵文字如下：此後的107年，科學界無數科學家前赴後繼，一直希望研製出能夠在常溫條件下實現「超導體」性能的材料，卻都以失敗告終，直到中國科學家曹原的出現。中國，也必將成為真正的世界科技強國！評論裡一片厲害了我的國，少年強則中國強。