15℃!人类首次实现高压下室温超导,研究登上Nature封面

15℃,差不多是这几天北京的温度。

「室温超导有可能实现吗?」这个问题困惑了人们许多年。而最新一期的 Nature 杂志封面研究给出了肯定的答案,该研究制造出了第一个无需冷却即可使电阻消失的超导体。

这项研究从投稿到接收仅用了不到十天的时间,并登上了最新一期 Nature 杂志的封面,或可说明其重要性和突破性,毕竟实现室温超导对于人类而言尚属首次。

超导现象是指材料在低于某一温度时,电阻变为零的现象,而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性,这一特征也使得超导在现实中得以应用,但它对温度有较为严格的要求。那么,在非低温条件下,能否实现超导呢?

最近,来自美国罗切斯特大学、英特尔、内华达大学拉斯维加斯分校的研究者给出了肯定的答案。

「室温超导问题」经过了数十年的探索,本周来自罗切斯特大学等机构的研究者称他们制造出了第一个无需冷却即可使电阻消失的超导体,不过新的室温超导体只能在相当于地心压力四分之三的环境下工作。但是如果研究者能够让材料在环境压力下保持稳定,那么理想的超导电性应用就能够实现,例如用于核磁共振仪和磁悬浮列车的低损耗电力线以及不需要制冷的超功率超导磁体。

研究团队领导者、罗切斯特大学物理学家 Ranga Dias。

该研究发现了能够在室温下以最佳效率导电的材料,这可以说是一项科学里程碑事件。该研究发现,氢元素、碳元素、硫元素的化合物可在高达 59 华氏度(15 摄氏度)的温度下作为超导体运行,比去年的高温超导纪录高出 50 华氏度。

剑桥大学物理学家 Chris Pickard 认为:「这是人类科学史上的里程碑」。但加州大学圣地亚哥分校物理学家 Brian Maple 表示:「由于实验条件极端,这项发现无法用于设备制造。」

室温超导问题的漫漫探索之路

1911 年,荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 在一条汞丝中首次发现了超导性,该汞丝被冷却至 4.2K(-269 摄氏度)。

1957 年,物理学家 John Bardeen、Leon Cooper 和 Robert Schrieffer 从理论角度解释了这一现象:他们提出的「BCS 理论」表明,通过超导体压缩的电子会暂时使材料的结构变形,从而在没有电阻的情况下调换另一电子。

1986 年物理学家发现,在不同的材料中,氧化铜陶瓷的超导性存在于更高的临界温度,即 Tc=30K(约 - 243 摄氏度)。

1994 年,研究人员将压力下汞基氧化铜的 Tc 提升至 164K(约 - 109 摄氏度)。电子仍会在铜氧化物超导体中配对,但是其如何实现超导仍属未知。

1968 年,康奈尔大学的理论学家 Neil Ashcroft 提出固体氢应该具备室温超导性。许多研究团队声称可以使用金刚石压砧制造这类金属氢,这种手掌大小的装置将两个氢样本置于两个金刚石尖端之间,在强压下进行压缩。但是这些研究存在争议,部分原因是压力太大(超过地心压力),以至于常常造成金刚石破裂。

2004 年,Ashcroft 提出将氢与另一种元素结合可能会增加一种「化学预压缩」,从而在较低的压力和更高的温度下实现超导性。

这一策略发挥了作用。2015 年,Mikhail Eremets 领导的马克斯 · 普朗克化学研究所研究团队在 Nature 发表文章称,在 155 GPa 高压(地球大气压力的 100 多万倍)下,H3S 结构的超导临界温度是 203K(约为 - 70℃)。

2019 年,Eremets 等人将含镧富氢化合物的超导临界温度提升到了 250K(约 - 23℃)。但是一旦压力释放,所有化合物就都会分解。

碳硫氢(C-S-H)实现高压下室温超导

此次突破性研究的领导者 Ranga P. Dias 及其同事认为,他们可以通过添加第三种元素碳进一步提高超导临界温度,碳元素与临近原子形成强键。团队成员之一、内华达大学拉斯维加斯分校物理学家 Ashkan Salamat 表示他们是在「蒙着眼摸索」。

他们将碳和硫元素共同碾磨而成的微小固体颗粒装载到金刚石压砧中,然后用管道输入氢气、硫化氢和甲烷 3 种气体。接着,他们使用绿色激光照射金刚石,从而触发化学反应,将混合物转化为透明晶体。

高压下 C-S-H 系统的超导曲线性变化。

当团队将压力提升到 148 GPa 时,发现晶体的超导临界温度变成了 147K(约 - 126℃)。当压力提升到 267 GPa 时,团队实现了 287K(13.85℃)的超导临界温度,这相当于较冷房间或理想酒窖的室温。同时,磁场度量也表明样本具有超导性。

外部磁场下的磁化率和超导转变。

最终研究结果显示,光化学转化的碳硫氢(carbonaceous sulfur hydride, C-S-H)系统的超导临界温度在 267±10 GPa 下最高可以达到 287.7±1.2K(约 15℃)

未来展望

对于 Dias 团队的研究,Eremets 认为结果看起来是可信的。但是,他指出,Dias 团队尚未确定超导化合物的精确结构。研究者将很快着手解决这个问题,并且可能也会尝试将其他元素替换为三组分氢基混合物,从而产生温度更高的超导体。布法罗大学的理论学家 Eva Zurek 表示:「接下来大家都会开展这方面的研究。」

Eremets 补充道,研究的最终目标是找到一种压力释放时依然能够保持稳定的室温超导体。如果能做到这一点,研究结果可能会改变人们的日常生活。Dias 认为这实际上是有可能实现的。但是,在理论上并没有什么办法使氢基材料在环境压力下工作。所以,Zurek 认为,未来未必存在明确的前进道路。

参考链接:

https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achieved
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9558315
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

理论材料学物理Nature
相关数据
英特尔机构

英特尔(NASDAQ: INTC)是全球半导体行业的引领者,以计算和通信技术奠定全球创新基石,塑造以数据为中心的未来。我们通过精尖制造的专长,帮助保护、驱动和连接数十亿设备以及智能互联世界的基础设施 —— 从云、网络到边缘设备以及它们之间的一切,并帮助解决世界上最艰巨的问题和挑战。

http://www.intel.cn/
相关技术
暂无评论
暂无评论~