突破！美國造出15℃室溫超導材料，家裡電線也能用上超導體？

2020-10-16 人馬座A

一提到超導，大家立刻就會想到低溫，大部分超導材料的轉變（臨界）溫度都接近絕對零度，需要用液氦冷卻，少量被稱為「高溫」超導的，轉變溫度也沒高過-173度，得用液氮冷卻。然而《自然》雜誌最新的一篇文章顛覆了這種概念，美國科學家制出了能在15℃室溫下實現超導的材料，創造了新的紀錄，也刷新了人們的認知。這是否意味著超導可以擺脫複雜沉重的冷卻裝置，以至於我們平常用的電線也可以用超導體來製造呢？

超導磁懸浮

事情沒那麼簡單，這種含碳硫化氫（C-S-H）晶體材料，只能在極高壓力下存在，而要達到室溫超導，壓力需要再次升高到267萬個大氣壓，這已經相當於木星內部的壓力。如此高壓，只能採用金剛石頂砧來實現，就是將兩塊金剛石的尖端硬懟在一起，針尖對麥芒，兩邊再一擠，由於接觸面小，壓強可以高達數百萬個大氣壓。為什麼在如此極端的條件下才能實現室溫超導呢？我是人馬座A，科普界的包打聽，今天咱們就來聊聊這個登上Nature封面的重大突破。

金剛石頂砧

超導材料從絕對零度一路走來

超導電性是由荷蘭科學家昂尼斯(Onnes)在1908年發現的，他實現了當時最先進的低溫技術，將氦氣液化，得到了僅比絕對零度高几度的低溫，並發現金屬汞在4.2K（-269℃）下的電阻為0，意味著如果用它來輸電，可以實現電能的零損耗。這一發現非同小可，昂尼斯因此在5年後就獲得諾貝爾物理學獎，相比之下，2020年諾獎得主彭羅斯要哭暈在廁所，後者出成果30多年後才獲獎。

為什麼會出現超導現象呢？1957年的BCS理論告訴我們，在極低溫度下，電子通過與晶格的相互作用，形成了電子對（庫珀對），在電流傳導時，庫珀對不與晶格產生能量交換，也就沒有了電阻，但這也必須在低溫下才能實現。根據BCS理論，美國科學家麥克米蘭預言超導臨界轉變溫度不會超過-234℃，被稱為「麥克米蘭極限」。

低溫超導

電阻為零實在過於誘人，超導現象一經發現，立刻就得到廣泛應用，最大的用途就是可以實現強磁場，例如磁懸浮列車、磁懸浮軸承、粒子加速器等。谷歌量子計算機使用的約瑟夫森結也是利用了超導。不過極低的使用溫度確實限制了超導的普及，於是科學家不斷探索具有更高轉變溫度的超導材料，超導的溫度極限一路提高。1987年，我國著名科學家趙忠賢院士用釔鋇銅氧中獲得了93K（-180℃）的臨界溫度，突破了BCS理論，使我國在超導領域走到了世界前列，並因此獲得國家最高科學技術獎。氧化物超導陶瓷也成為最有希望的新型超導材料。

趙忠賢院士

然而傳統的BCS理論並沒有被放棄，近年來富氫材料的出現，使傳統超導的轉變溫度又大幅反超了超導陶瓷。

富氫超導材料異軍突起，我國學者曾作出理論預言

富氫材料顧名思義就是含氫比較多。1968年，Neil Ashcroft指出純氫在地心、木星內部那樣的巨大壓力下，會轉變了固體金屬氫，由於強大的氫鍵存在，其晶格可在較高溫度下傳遞庫珀電子對，超導臨界溫度可以達到290K，也就是17℃，是一個開著空調就能輕鬆達到的溫度。但為了使氫鍵不斷裂，所需要的壓力過於巨大，而且金屬氫極難得到，至今在地球上也沒有獲得公認的製取記錄。於是科學家又想到了含氫量高的富氫材料。

木星內部存在金屬氫

早在2014年，吉林大學的馬琰銘和崔田團隊就分別預言了H2S（硫化氫）和H3S（硫化氫與氫的複合物）可在160GPa和200GPa下實現80K和200K左右的超導轉變溫度。2015年，德國科學家德羅茲羅夫和葉列米特在高壓下用硫化氫實現了-70℃的臨界溫度，並於2019年進一步用氫化鑭體系實現了-23℃，壓力為170GPa（170萬個大氣壓）。

而這次，美國羅徹斯特大學的Ranga Dias等人，將碳原子引入到H3S硫化氫體系中，他們將甲烷（CH4）、硫化氫和氫混合，充入金剛石頂貼的尖端，並施加4萬個大氣壓的高壓，在這之後，用波長為532納米的綠色雷射照射了幾個小時，形成了一種C-S-H晶體，在加壓至267±10GPa（267萬個大氣壓）後，實現了15℃的超導轉變溫度最高紀錄。

C-S-H晶體的製備

未來應用可期

很多人可能會覺得267萬個大氣壓的條件過於苛刻，根本無法實際應用。但這次美國人的成功是一個質變，意義十分重大，畢竟是首次在正常室溫下實現了超導，登上了Nature的封面，至於壓力條件，可以慢慢去改善。Ranga Dias表示目前這種C-S-H晶體的精確結構實現上還不是很清楚，如果能引入其它元素，有可能實現較低壓力下的室溫超導。

Nature以此成就作為封面

假如這是真的，未來無論是輸電線路，還是家用電器，以及電子器件，將全都成為超導材料的天下。

人馬座A，科普界的包打聽，喜歡航天、軍事、宇宙、核能，歡迎光臨主頁：

相關焦點

  • 人類首次實現室溫超導:創造出臨界溫度約為15℃的室溫超導材料
    中國航空報訊：近日，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。除了開始提到的氫原子能更可能提供「庫伯對」，迪亞斯還表示，為了獲得高溫超導體，也需要更強的化學鍵和較輕的元素，這是兩項最基本的標準。而氫恰是最輕的元素，氫鍵正是最強的鍵之一。理論上，金屬氫具有較高的德拜溫度和強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的。但是需要極高的壓力，才能使純氫變成金屬態。於是，迪亞斯的實驗室一直在尋求方法上的突破。
  • 室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?
    超導線圈可以承載很大的電流，形成強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時，由於完全抗磁性，超導體內部會產生一個相反的磁場，使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運動。
  • 室溫超導問世，常溫常壓的超導體還會遠嗎？
    超導線圈可以承載很大的電流，形成強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時，由於完全抗磁性，超導體內部會產生一個相反的磁場，使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運動。
  • 世界首個室溫超導材料問世!
    北京時間10月14日，最新一期《自然》（Nature）雜誌上發表了一項物理學界的重磅研究成果：美國羅徹斯特大學研究人員在氫化物材料中，首次觀察到了288開（約15攝氏度）的溫度下的室溫超導現象。 這一發現刷新了高溫超導材料最高臨界溫度的歷史紀錄，也代表著人類向著創造出具有最優效率電力系統的目標又邁出了重要一步。
  • 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。
  • 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
    室溫超導之路，漫漫其修遠兮。近年來，儘管已經陸續有不少科學家聲稱實現了「室溫超導體」，但國內外絕大多數的超導科研者往往都持如上態度。但如今，這種態度應該要轉變了——美國科學家們創造了一種氫化物材料，它竟然能在 15°C 的溫度下無電阻地導電！
  • 美國科學家在隕石中首次發現超導材料,點燃室溫超導體新希望
    據美國國家科學院院刊（PNAS）近日消息稱，美國科學家在兩塊不同的隕石中發現了超導材料，這是超導材料在太空中形成的第一個證據。這一發現的重要意義不僅在於它是罕見的天然形式的超導材料，還為人類尋找室溫超導材料點燃了新希望。超導材料即超導體，指在某一溫度下，電阻為零的導體。
  • 室溫超導體來了?新方法能在超導材料中獲得更高的過渡溫度!
    發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的研究結果表明，這是一種以前從未探索過的實現高溫超導性的途徑，它為能源生產商和消費者提供了許多潛在的好處。電流可以毫無阻力地通過超導材料，而傳統的傳輸材料在發電源和最終用戶之間損失多達10%的能量。
  • 首個室溫超導體來了，超導技術的春天到了嗎？
    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？用來裝點富麗堂皇的殿堂，還是用去製作精美燦爛的珠寶？近日，一群來自美國羅切斯特大學的科學家用事實告訴人們，這些造價不菲的美麗石頭不止能"錦上添花"，還能"無中生有"地幫人類在室溫下製造出超導體！
  • 超導體的新突破,離室溫超導又近了一步
    尋找一種能在零下數百度的極端條件下工作的超導體是一種革命性的突破。但開發「室溫」超導體是一項科學尚未實現的壯舉。然而，中佛羅裡達大學的一名研究人員正在努力使這一目標更接近實現，他的一些最新研究成果最近發表在《通信物理》雜誌上。
  • 15!科學家實現高壓室溫超導 人類離完美材料又近了一步
    原標題：15！科學家實現高壓室溫超導，人類離完美材料又近了一步 　　上周，美國研究人員在《自然》雜誌發表了一項最新研究成果，表明在室溫超高壓狀態下實現了超導。
  • 15℃!高壓下人類終實現室溫超導,材料曾被中國學者預言
    終於，北京時間10月14日晚間發表在《自然》（Nature）雜誌上的一項研究跨過了273K（約0℃）這個節點，一舉實現287K（約15℃）溫度下的含碳硫化氫超導。這種室溫超導是在金剛石「砧板」製造的267Gpa高壓下實現的，相當於200多萬倍標準大氣壓，很難談得上實際應用。
  • 15℃!科學家實現高壓室溫超導,人類離完美材料又近了一步
    但是，這裡的「高溫」和日常說的動輒成百上千的高溫不同，它是相對於絕對零度的概念，即便零下200度，也能被稱作「高溫」。從 20 世紀 80 年代開始，高溫超導材料相繼問世，超導臨界溫度也不斷提高。1986年繆兩名物理學家發現了鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物，其臨界溫度約為-238.15 攝氏度，這兩人也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。
  • 《Nature》重磅：15℃室溫超導材料問世，刷新世界紀錄
    為了使超導材料有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標，起點為利用超導懸浮可製造無磨損軸承，將軸承轉速提高到每分鐘10萬轉以上。超導列車已於70年代成功地進行了載人可行性試驗，1987年開始，日本開始試運行，但經常出現失效現象，出現這種現象可能是由於高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已於1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料製造交通工具在技術上還存在一定的障礙，但它勢必會引發交通工具革命的一次浪潮。
  • 超導材料取得重大突破，科學家實現室溫下超導
    最近，物理學家在超導領域達成了一個重要的新裡程碑，實現了第一次室溫下電流的無電阻流動，試驗溫度僅為15攝氏度。要知道與之最近的記錄是零下23度實現超導，並意味著超導材料的應用前景向前邁了一大步。在高中我們簡單地接觸過超導的概念，除了廣為人知的零電阻，超導材料還有一個重要性質——邁斯納效應，當一種材料從一般狀態相變至超導態時，會對磁場產生排斥現象，此時把超導材料放在磁鐵上，在一定限度內，超導體可以懸浮在磁體上方。
  • 關注| 首個室溫超導體來了,超導技術的春天到了嗎?
    幾十顆鑽石能用來做什麼？用來裝點富麗堂皇的殿堂，還是用去製作精美燦爛的珠寶？近日，一群來自美國羅切斯特大學的科學家用事實告訴人們，這些造價不菲的美麗石頭不止能"錦上添花"，還能"無中生有"地幫人類在室溫下製造出超導體！　　▲在此次的研究中，羅切斯特大學使用了特殊的金剛砧，其主要構成則是兩顆"尖對尖"的鑽石。
  • 世界首個室溫超導材料問世！會對電力產生哪些影響？
    北京時間10月14日，最新一期《自然》（Nature）雜誌上發表了一項物理學界的重磅研究成果：美國羅徹斯特大學研究人員在氫化物材料中，首次觀察到了288開（約15攝氏度）的溫度下的室溫超導現象。而在特定溫度下，電能可以在超導材料中零電阻通過。除了零電阻的特性以外，超導材料還具有完全抗磁性——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。
  • 《Nature》重磅:15℃室溫超導材料問世,刷新世界紀錄!
    人們把處於超導狀態的導體稱之為「超導體」。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。
  • 深度解讀「人類首次實現室溫超導」：思路並無突破，中國並不落後
    「最終總有一天，我們有希望在這一類材料裡面達到室溫下就是把臨界溫度紀錄又提高了。「最終總有一天，我們有希望在這一類材料裡面達到室溫下穩定的超導材料，而不再需要這麼高的壓力條件，那個時候超導研究的歷史性突破就真的實現了。」