臨界溫度再次刷新,近室溫超導獲實驗數據證明

2021-02-25 Nature Portfolio

超導體材料可以以100%的效率傳輸電能。它們有很多應用，例如醫院裡的核磁共振。但是，這些應用都不太順利，很大程度上是因為超導狀態只會存在於遠低於室溫（295K）的溫度下。德國馬克斯·普朗克化學研究所的Drozdov等人在《自然》上發文報告了幾個關鍵結果，證實了氫化鑭受到地球大氣一百萬倍的壓力壓縮時，可以在250K達到超導——高於目前已知的所有材料的超導溫度。

超導最早是1911年在溫度降到4K以下的汞中發現的。使材料出現超導性的最高溫度被稱為臨界溫度。很快人們就意識到，如果能找到臨界溫度遠高於4K的材料，那麼能展現出零電阻的物質狀態會非常有用。過去一百年來，人們發現了越來越多的超導材料，臨界溫度的最高紀錄也被不時地刷新，向著室溫這個終極目標發展。

上述文章的其中幾位作者和同事們於2014年打破了之前164K的記錄。他們發現硫化氫——會產生臭雞蛋氣味的化學物質——可以在200K左右的溫度變成超導體，前提是使用近200萬倍大氣壓進行壓縮。之後，2018年兩個互相獨立的研究組幾乎同時報告，壓縮的氫化鑭可能可以在更高的溫度下展現出超導性，範圍從215K開始，最高可能達到280K。

這些硫化氫和氫化鑭超導材料的共通特性是，它們富含氫元素，並且超導性只在約100萬倍大氣壓以上的高壓下才會發生。在這些極端條件下，化學鍵會被大幅改變，形成其他條件下不穩定的結構。對於氫化鑭來說，高壓似乎會讓其中一種化合物LaH10的結構變得穩定，它含有的氫比常壓下能達到的比例更高。

Drozdov等人使用金剛石對頂砧達到了這種異常高壓（約為地心壓力的一半）。金剛石對頂砧可以用一隻手握住。材料用薄金屬箔包住，壓在兩片磨平的金剛石之間（見圖1）。這種設置嚴重限制了實際測量，因為樣品太小了（只有0.01毫米尺度），並且四周還有尺寸大得多的金屬箔和金剛石。更重要的是，為了進行電學測量，引腳必須和樣品接觸，同時還要和金屬箔保持絕緣。

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    圖片來源：ADAM FENSTER 10月14日，《自然》報導了美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias聯合內華達大學等團隊在室溫超導領域的重大突破：實現287K（約15℃）溫度下的碳—硫—氫體系超導。 但這種新型室溫超導體只能在267GPa（相當於地球中心壓力3/4）的壓力下工作。
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    >根據上述描述可以看到，「超導」這個詞出現時往往伴隨的是一個特定溫度，而這個溫度一般都是很低的，比如：1973 年，科學家發現超導的鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K（-249.95 攝氏度）；1986 年，科學家發現一種陶瓷性金屬氧化物具有高溫超導性，臨界溫度可達 35K（-238.15 攝氏度），由此獲得了 1987 年的諾貝爾物理學獎；1988 年，科學家發現汞系超導材料的臨界溫度達 135K（-138.15 攝氏度）；高壓條件下其臨界溫度將能達到 164K（-109.15 攝氏度）；
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