科學(xué)家在極端高壓下生成首個室溫超導(dǎo)體

科學(xué)家創(chuàng)造出了一種非常神秘的材料，這種材料似乎能在最高15°C的室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，創(chuàng)下了超導(dǎo)性的一個新紀(jì)錄。通常來說，超導(dǎo)現(xiàn)象離不開極低的溫度。雖然目前對這種材料的了解還很少，但它展現(xiàn)了2015年發(fā)現(xiàn)的一類超導(dǎo)體的潛力。

當(dāng)然，這個超導(dǎo)體有一個很大的限制：它只能在存在于極端高壓下——接近于地球中心的壓強，這意味著該材料還無法直接應(yīng)用。不過，物理學(xué)家希望它能為更低壓強下的零電阻材料開發(fā)鋪平道路。

從磁共振成像儀到手機信號塔，超導(dǎo)體有各種技術(shù)應(yīng)用。研究人員已經(jīng)開始在高性能風(fēng)力渦輪發(fā)電機中測試這些超導(dǎo)體。不過，對龐大低溫工程的要求依然限制著它們的應(yīng)用。常見超導(dǎo)體可以在大氣壓下工作，但溫度必須極低。即使是最先進的超導(dǎo)體——氧化銅基陶瓷材料——也要求溫度在133開爾文（?140?°C）以下。室溫超導(dǎo)體將帶來巨大的技術(shù)變革，比如能讓電子產(chǎn)品在運行更快的同時不會過熱。

《自然》10月14日發(fā)表的最新研究似乎給出了令人信服的高溫超導(dǎo)證據(jù)，德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的物理學(xué)家Mikhail Eremets表示。但他也想看到更多來自實驗的“原始數(shù)據(jù)”。他說，這項研究驗證了他從2015年開始的一項工作，當(dāng)時他的團隊報道了首個高壓高溫超導(dǎo)體——能在最高?70?°C的溫度下實現(xiàn)零電阻導(dǎo)電的氫-硫化合物。

2018年，一種高壓氫-鑭化合物被證明［3］可以在?13?°C實現(xiàn)超導(dǎo)。但最新的研究結(jié)果是第一次用三種而非兩種元素組成的化合物實現(xiàn)了這類超導(dǎo)——這種材料由碳、硫、氫組成。加入第三種元素極大地拓展了將來用實驗探索新型超導(dǎo)體所能嘗試的組合，本文作者之一、拉斯維加斯內(nèi)華達大學(xué)的物理學(xué)家Ashkan Salamat說?！拔覀冮_辟了一個全新的探索領(lǐng)域?！彼f。

高壓但非極高壓下的超導(dǎo)材料已經(jīng)能投入使用了，美國阿貢國家實驗室的高壓材料科學(xué)家Maddury Somayazulu說，這項研究表明，通過“審慎地選擇超導(dǎo)體的第三和第四種元素”，原則上就能把工作壓強降下來。

這項工作還證實了紐約康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家Neil Ashcroft幾十年前的預(yù)測，即富氫材料或許能在比之前認為的高得多的溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)。“我認為高壓領(lǐng)域之外，很少有人曾把他的話當(dāng)真?！盨omayazulu說。

神秘材料

紐約羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家Ranga Dias與Salamat等合作者一起，將一種碳氫硫混合物放入他們在兩個金剛石尖之間切好的微腔中，用激光激發(fā)樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并觀察到一個晶體形成。隨著他們不斷將實驗溫度降低，穿過材料的電流電阻降到了零，顯示該樣品已經(jīng)具有超導(dǎo)性。隨后，他們開始增加壓強，發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變會在越來越高的溫度下出現(xiàn)。最后，他們獲得最佳結(jié)果的實驗條件是287.7開爾文的轉(zhuǎn)變溫度和267吉帕的壓強——相當(dāng)于海平面大氣壓的260萬倍。

研究人員還發(fā)現(xiàn)一些證據(jù)表明這個晶體會在轉(zhuǎn)變溫度下排擠掉它的磁場，這也是驗證超導(dǎo)性的一個關(guān)鍵。但研究人員提醒稱，這種材料仍有許多未知之處?！斑€有很多工作要做?！盓remets說。我們甚至還沒搞清楚這種晶體的確切結(jié)構(gòu)和化學(xué)式?！皦簭娫礁?，樣品就越來越小，”Salamat說，“那是讓測量工作最具挑戰(zhàn)性的地方?！?/p>

我們對由氫和另一種元素組成的高壓超導(dǎo)體已經(jīng)積累了足夠的認識。研究人員也對高壓碳氫硫混合物進行了計算機模擬，紐約州立大學(xué)布法羅分校的計算化學(xué)家Eva Zurek說。但她認為，這些研究無法解釋 Dias團隊所觀察到的異常高的超導(dǎo)溫度?！拔掖_定，這篇文章發(fā)表出來后，許多理論和實驗研究團隊都會開始研究這個問題。”她說。
責(zé)編AJX