材料科學家面臨的困境得到突破:室溫超導已誕生

材料科學家面臨的困境得到突破:室溫超導已誕生

一種由氫、碳和硫組成的新型金屬化合物,在兩塊金剛石砧之間施加壓力時,室溫15℃時,該化合物具有超導性

一個來自紐約的物理學家團隊發現了一種在室溫條件下具有高效導電特性的材料——這是科學家們長久以來孜孜以求的科學裡程碑。該研究團隊在《自然》雜誌釋出宣告,宣稱這種氫-碳-硫化合物在15℃的室溫條件下具有超導體的特性。這比去年創下的高溫超導記錄提高了10℃以上。

“這是我們第一次能真正宣稱已經發現了室溫超導性。”西班牙巴斯克大學凝聚態理論學家揚·埃雷亞(Ion Errea)表示(他並未參與此項工作)。

劍橋大學材料科學家克里斯·皮卡德(Chris Pickard)感慨道:“這顯然具有里程碑意義。”在談及15℃的溫度時,他說:“這相當於一個體感微涼的房間室溫,或許那是一間英國維多利亞式小屋。”

該新型化合物由來自美國羅切斯特大學蘭加·迪亞斯(Ranga Dias )領導的研究團隊研製而成。在研究人員對所取得的成就歡呼雀躍的同時,他們也強調,如果脆弱量子效應在真實環境條件下隨超導性一同出現,那麼該材料將永遠無法應用於無損耗電線、無摩擦高速列車或任何將來可能無處不在的革命性技術中。這是因為這種物質只有在室溫下被一對鑽石壓碎時才具有超導性,其壓力極限大約相當於地核內壓力的75%。

皮卡德表示:“室溫超導性一直是人們談論的話題,但他們可能並不知道,我們會在這麼高的壓力下開展這項研究。”

目前,材料科學家面臨的一大挑戰是,既可以在常溫下又能在常壓下工作的超導體很難找到。而這種新型化合物的某些特性為將來找到合適的混合物帶來了希望。

當自由流動的電子撞擊組成金屬的原子時,普通導線就會產生電阻。但是,研究人員在1911年發現,在低溫條件下,電子可以誘導金屬原子晶格發生振動,而這些振動反過來又會將電子聚合,形成被稱為庫珀對的電子對。庫珀對受量子規則支配,它們毫無障礙地穿過金屬晶格,也不會遭遇任何阻力。超導流體還會排斥磁場——這一效應可以讓磁懸浮交通工具無摩擦地漂浮在超導軌道上。

然而,當超導體的溫度升高時,粒子會隨機晃動,打破電子微妙的波動。

數十年來,研究人員一直尋找一種庫珀對結合緊密,可以承受日常環境溫度的超導體。1968年,康奈爾大學固體物理學家尼爾·阿什克羅夫特(Neil Ashcroft)提出,使用氫原子的晶格就能達到這個目的。氫原子尺寸極小,因此電子更接近晶格的節點,從而增加它們與振動的相互作用。此外,氫原子質量輕盈,這也使得那些引導波的振動更快,從而進一步增強粘合庫珀對的作用力。

將氫氣擠壓成金屬晶格所需的壓力奇高無比。儘管如此,阿什克羅夫特仍然透過自己的工作,讓人們看到了曙光:某種“氫化物”,即氫和另一種元素構成的化合物,可能在更容易獲得的壓力之下產生金屬氫的超導性。

到了21世紀,有關該領域的研究工作開始取得更多的進展。得益於超級計算機的模擬技術,理論學家能夠預測各種氫化物的性質;而結構緊湊的金剛石壓砧的廣泛使用,則有助於實驗人員給前景最被看好的候選氫化物施壓,以測試它們的效能。

突然之間,氫化物開始創造一個又一個記錄。2015年,德國的一個研究小組發現,在溫度為?70℃、氣壓為150萬個大氣壓的條件下,在臭雞蛋中的發現的一種刺激性化合物——硫化氫具有超導性。四年後,同一實驗室在溫度約為?23℃、氣壓為180萬個大氣壓的條件下,使氫化鑭實現超導。而另一個小組在溫度約為?13℃的條件下發現該化合物具有超導性的證據。

羅徹斯特大學的迪亞斯實驗室已經打破了這些記錄。根據直覺和粗略計算,該研究小組測試了一系列氫化合物,以尋找氫的最佳比率。如果氫含量太少,化合物就不能像氫那樣具有穩定的超導性。如果新增太多,化合物則會像氫一樣,只有當施加足以壓碎金剛石壓砧的壓力才能實現金屬化。在他們的研究過程中,該團隊壓碎了幾十對價值3 000美元的金剛石壓砧。“這是我們研究中最大的問題,所需的金剛石壓砧價格太高了。”迪亞斯無奈地說道。

最終取得成功的方案被證明就是2015年方案的重複。研究人員在硫化氫中加入甲烷(碳氫的化合物),然後用鐳射烘烤。

迪亞斯的合作者、拉斯維加斯內華達大學的凝聚態物理學家阿什肯·薩拉馬特 (Ashkan Salamat)介紹說:“我們完善了該系統,並透過加入適量的氫,使這些庫珀對在溫度很高的條件下仍然能夠正常執行。”

但是,他們未能確定自己研製出的氫-碳-硫混合物的具體細節。氫太小了,無法透過傳統晶格結構的探針顯示出來,因此該團隊不知道原子如何排列,甚至不知道這種物質的確切化學式。

布法羅大學計算化學家伊娃·祖雷克(Eva Zurek)所在的理論小組隸屬於迪亞斯實驗室。今年早些時候,他們假設了一種可能在金剛石壓砧之間形成金屬的超導條件,結果卻得到了與假設截然相反的結果。祖雷克懷疑是高壓將物質轉化成了一種未知的排列方式,而透過這種排列方式組成的物質具有超強的超導性。

一旦迪亞斯團隊弄清楚了自己手上掌握了什麼,理論學家將能夠建立模型,以研究給予這種氫碳硫混合物超導性的特質,並有可能進一步修改組成該混合物的配方。

物理學家已經證明,大多數雙元素氫混合物都行不通,但新的三元素混合物標誌著複雜嵌合體材料領域取得了重大進展,其中的一個元素也許會帶來新的希望。

“我之所以喜歡這項工作,是因為他們將碳引入了這個系統。”德國馬克斯·普朗克化學研究所的實驗學家米哈伊爾·埃雷米茨(Mikhail Eremets)表示。他的實驗室曾分別於2015年和2019年創造了新的氫化物記錄。

他解釋說,利用氫質量較小的特性並不是增強振動、讓電子形成庫珀對的唯一途徑。晶格中相鄰原子間連線性更強的特性同樣舉足輕重。此外,碳的共價鍵具有很強的結合能力。碳結構材料還具有其他優勢,如何防止整個結構在讓人類感到舒適的低壓力條件下崩塌。

祖雷克對此表示贊同。她說:“我認為在常壓下難以實現超導性,但如果可以將碳化合物引入其中,我認為這是可能做到的。”

資料來源 Quanta Magazine

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