首個室溫超導體讓科學家又驚又喜

科學家創造出了一種非常神秘的材料,這種材料似乎能在最高15°C的室溫下實現超導,創下了超導性的一個新紀錄。通常來說,超導現象離不開極低的溫度。雖然目前對這種材料的了解還很少,但它展現了2015年發現的一類超導體的潛力。

當然,這個超導體有一個很大的限制:它只能在存在於極端高壓下——接近於地球中心的壓強,這意味着該材料還無法直接應用。不過,物理學家希望它能為更低壓強下的零電阻材料開發鋪平道路。

從磁共振成像儀到手機信號塔,超導體有各種技術應用。研究人員已經開始在高性能風力渦輪發電機中測試這些超導體。不過,對龐大低溫工程的要求依然限制着它們的應用。常見超導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。室溫超導體將帶來巨大的技術變革,比如能讓電子產品在運行更快的同時不會過熱。

首個室溫超導體讓科學家又驚又喜

紐約羅切斯特大學的超導實驗室。來源:Adam Fenster

《自然》10月14日發表的最新研究似乎給出了令人信服的高溫超導證據,德國馬克斯·普朗克化學研究所的物理學家Mikhail Eremets表示。但他也想看到更多來自實驗的「原始數據」。他說,這項研究驗證了他從2015年開始的一項工作,當時他的團隊報道了首個高壓高溫超導體——能在最高−70 °C的溫度下實現零電阻導電的氫-硫化合物。

2018年,一種高壓氫-鑭化合物被證明[3]可以在−13 °C實現超導。但最新的研究結果是第一次用三種而非兩種元素組成的化合物實現了這類超導——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體所能嘗試的組合,本文作者之一、拉斯維加斯內華達大學的物理學家Ashkan Salamat說。「我們開辟了一個全新的探索領域。」他說。

高壓但非極高壓下的超導材料已經能投入使用了,美國阿貢國家實驗室的高壓材料科學家Maddury Somayazulu說,這項研究表明,通過「審慎地選擇超導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理論物理學家Neil Ashcroft幾十年前的預測,即富氫材料或許能在比之前認為的高得多的溫度下實現超導。「我認為高壓領域之外,很少有人曾把他的話當真。」Somayazulu說。

神秘材料

紐約羅切斯特大學的物理學家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,用激光激發樣品發生化學反應,並觀察到一個晶體形成。隨着他們不斷將實驗溫度降低,穿過材料的電流電阻降到了零,顯示該樣品已經具有超導性。隨後,他們開始增加壓強,發現這種轉變會在越來越高的溫度下出現。最後,他們獲得最佳結果的實驗條件是287.7開爾文的轉變溫度和267吉帕的壓強——相當於海平面大氣壓的260萬倍。

研究人員還發現一些證據表明這個晶體會在轉變溫度下排擠掉它的磁場,這也是驗證超導性的一個關鍵。但研究人員提醒稱,這種材料仍有許多未知之處。「還有很多工作要做。」Eremets說。我們甚至還沒搞清楚這種晶體的確切結構和化學式。「壓強越高,樣品就越來越小,」Salamat說,「那是讓測量工作最具挑戰性的地方。」

我們對由氫和另一種元素組成的高壓超導體已經積累了足夠的認識。研究人員也對高壓碳氫硫混合物進行了計算機模擬,紐約州立大學布法羅分校的計算化學家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溫度。「我確定,這篇文章發表出來後,許多理論和實驗研究團隊都會開始研究這個問題。」她說。

來源:cnBeta