15℃!高壓下人類終實現室温超導,材料曾被中國學者預言

澎湃新聞記者 虞涵棋

2020-10-14 23:00 來源:澎湃新聞

字號
長達百年來,室温超導體一直是物理學的核心追求之一,更被賦予緩解人類能源問題的宏大願景。
近幾年間,高壓下富氫材料的臨界温度不斷提升,人類離“超導聖盃”似乎也越來越近。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℃)温度下的含碳硫化氫超導。
這種室温超導是在金剛石“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。
但作為世界頂級學術期刊,《自然》從收到這篇論文(8月31日)到接受(9月8日)僅僅用了不到10天時間,可見該成果的里程碑性意義。
實際上,硫化氫H₂S這種著名的臭雞蛋味氣體在高壓下會變身高温超導體,曾被中國科學家預言。2014年,吉林大學的馬琰銘和崔田團隊各自通過理論計算做出預測:H₂S在160GPa下超導臨界温度為80K;H₂S與H₂複合成的H3S結構在200GPa下超導臨界温度在191K至204K之間。金剛石頂砧高壓裝置下實現室温超導

金剛石頂砧高壓裝置下實現室温超導

而這次來自美國羅徹斯特大學、英特爾公司和內華達大學的聯合研究團隊實現了歷史性突破,則是運用一種綠色的光化學合成方式,在硫化氫體系中摻雜了一種自然界最廉價、最普通的元素——碳。
該團隊也在論文結尾處指出,通過在更低壓力下交換分子,微調(C-S-H)碳-硫-氫三元體系的組分,未來可能實現大氣壓下穩定或亞穩定的高温超導體。
消失的電阻
超導,全稱超導電性,是20世紀最重要的科學發現之一,指的是某些材料在温度降低到某一臨界温度,或超導轉變温度以下時,電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導體。
1908年,荷蘭科學家翁內斯(Onnes)成功製備液氦,並在液氦温度下研究物質的熱力學和電學性質。1911年,他發現汞的電阻在温度降到4.2K(-269℃)以下時變為0。
中學物理告訴我們,電流通過電阻會發熱。大量的能源就在這一歐姆定律的“魔咒”中浪費了,而奇妙的超導體成為了破咒的法門。
翁內斯憑此獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。此後,共有9名科學家在超導研究領域獲得了5次諾獎。
雖然獎項頒得很勤快,但人類提升超導臨界温度的進展卻很緩慢。要知道,通常情況下,電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞,形成電阻。1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的BCS理論,即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用,互相吸引,形成Cooper對。而這個Cooper對可以在晶格中無阻礙傳輸,就是傳統超導體的超導機制。臨界温度的存在,則是因為較高温度下更強的晶格振動對Cooper對造成破壞。
美國科學家麥克米蘭基於BCS理論計算,認為超導臨界温度不太可能超過39K(約-234℃),39K這個温度也被稱為“麥克米蘭極限”。這個極限温度一度被主流學界所接受。
受到極低温度的限制,目前超導體在MRI、粒子加速器、量子計算等領域的應用無法廣泛拓展到電網、磁懸浮等令人期待的方向。室温超導,成為高高在上的聖盃。
臨界的温度
中國科學家在高温超導領域收穫頗豐,趙忠賢院士就曾因在這一領域的突出貢獻榮獲國家最高科學技術獎。趙忠賢是國際上最早認識到銅氧化合物超導體重要意義的少數科學家之一。他的團隊從1986年底到1987年初,在十分簡陋的實驗條件下夜以繼日工作,終於和國際上少數幾個小組幾乎同時在鑭-鋇-銅-氧體系中獲得了40K以上的高温超導體。1987年2月,趙忠賢團隊終於在釔鋇銅氧(Ba-Y-Cu-O)中發現了臨界温度為93k的超導轉變。
2008年,國內幾個研究團隊又各自獨立在鐵基高温超導上實現了突破,堪稱中國鐵基超導“奇蹟”。
這一類顛覆了BSC理論和其推論“麥克米蘭極限”的新型超導體,被稱作高温超導體,其超導原理尚未有定論。
富氫的材料
本以為人類追逐室温超導聖盃的道路會在新型超導體領域一路前行,但近幾年,一類傳統超導體卻奇峯突起,不斷刷新温度紀錄。
這類材料的關鍵詞是氫。1968年,Neil Ashcroft基於BSC理論提出固體氫可能是一種室温超導體,臨界温度達到290K。只是,要把氫氣壓成類似金屬的固體,需要媲美地心的驚人壓力,不少物理學家轉而通過富氫材料模擬固體氫,通過摻雜非氫原子來降低金屬化的壓力條件。
2014年,吉林大學的馬琰銘和崔田團隊基於對BSC理論的計算,各自做出了關鍵預測。前者預言H₂S在160GPa下超導臨界温度為80K;後者則認為H₂S與H₂複合成的H3S結構在200 GPa下超導臨界温度在191K至204K之間。
2015年9月,德國馬普化學研究所的德羅茲洛夫(A. P. Drozdov)和葉列米特(M. I. Eremets)發表《自然》論文,在高壓下硫化氫結構中做到了203K(約-70℃)的超導臨界温度。
2019年5月,德羅茲洛夫和葉列米特實現自我突破,在170Gpa高壓下,用氫化鑭(LaHx)體系取得了最高可達250K(約-23℃)的超導臨界温度。
對面硫化氫超出預期的表現,理論物理學家們展開了討論。氫是最輕的元素,氫鍵又是最強的化學鍵之一。硫化氫中的氫離子晶格可以在較高的温度下快速震動,無阻地運送庫珀電子對。不過,氫離子晶格同時需要保持堅固的結構,不會“震散架”。正因如此,高壓條件至關重要。
有機的超導
那麼,除了在硫化氫體系中加入鑭等金屬元素,還有沒有其他非氫原子可以用來進一步實現室温超導?
這次,羅徹斯特大學的Ranga P. Dias等人受到美國科學家Little於1964年提出的一維聚合物有機超導體概念的啓發,將富氫材料與有機超導這兩條路徑相結合,想到了用碳來代替金屬元素。超導實驗室

超導實驗室

他們將碳和硫元素以1比1摩爾比率混合,球磨成5微米以下的顆粒,隨後裝載到金剛石頂砧中。氫分子充入其中,扮演反應物和傳壓介質的雙重角色。整個樣品隨後被施加4Gpa的壓強,並用波長532納米的光照射數小時。壓力和輻照驅動S-S鍵的光分解,形成硫的自由基,與氫分子反應生成硫化氫。最後,研究人員迅速微調壓強和激光位,最終制出均勻透明的晶體結構。這種脆弱的晶體不能在10Gpa以下的壓強中保持穩定。
通過電阻、磁化率、電輸運和拉曼光譜測量,團隊認為該含碳硫化氫材料在267Gpa下取得了約15℃的超導臨界温度,創造新的世界紀錄。
(本文來自澎湃新聞,更多原創資訊請下載“澎湃新聞”APP)
責任編輯:李躍羣
校對:丁曉
澎湃新聞報料:4009-20-4009   澎湃新聞,未經授權不得轉載
關鍵詞 >> 超導,室温超導,凝聚態物理

相關推薦

評論(78)

熱新聞

澎湃新聞APP下載

客户端下載

熱話題

關於澎湃 在澎湃工作 聯繫我們 廣告及合作 版權聲明 隱私政策 友情鏈接 澎湃新聞舉報受理和處置辦法 嚴正聲明