美团队宣称突破常温超导技术,科学家制备出世界上首个常温超导材料,超导体为世界仅有( 三 )


目前 , 材料科学家面临的一大挑战是,既可以在常温下又能在常压下工作的超导体很难找到 。而这种新型化合物的某些特性为将来找到合适的混合物带来了希望 。
当自由流动的电子撞击组成金属的原子时,普通导线就会产生电阻 。但是,研究人员在1911年发现,在低温条件下,电子可以诱导金属原子晶格发生振动 , 而这些振动反过来又会将电子聚合,形成被称为库珀对的电子对 。库珀对受量子规则支配,它们毫无障碍地穿过金属晶格,也不会遭遇任何阻力 。超导流体还会排斥磁场——这一效应可以让磁悬浮交通工具无摩擦地漂浮在超导轨道上 。
然而,当超导体的温度升高时,粒子会随机晃动,打破电子微妙的波动 。
数十年来 , 研究人员一直寻找一种库珀对结合紧密 , 可以承受日常环境温度的超导体 。1968年 , 康奈尔大学固体物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)提出 , 使用氢原子的晶格就能达到这个目的 。氢原子尺寸极小 , 因此电子更接近晶格的节点,从而增加它们与振动的相互作用 。此外,氢原子质量轻盈,这也使得那些引导波的振动更快 , 从而进一步增强粘合库珀对的作用力 。
将氢气挤压成金属晶格所需的压力奇高无比 。尽管如此,阿什克罗夫特仍然通过自己的工作,让人们看到了曙光:某种“氢化物”,即氢和另一种元素构成的化合物,可能在更容易获得的压力之下产生金属氢的超导性 。
到了21世纪,有关该领域的研究工作开始取得更多的进展 。得益于超级计算机的模拟技术,理论学家能够预测各种氢化物的性质;而结构紧凑的金刚石压砧的广泛使用,则有助于实验人员给前景最被看好的候选氢化物施压,以测试它们的性能 。
突然之间,氢化物开始创造一个又一个记录 。2015年,德国的一个研究小组发现,在温度为 70 、气压为150万个大气压的条件下 , 在臭鸡蛋中的发现的一种刺激性化合物——硫化氢具有超导性 。四年后 , 同一实验室在温度约为 23 、气压为180万个大气压的条件下 , 使氢化镧实现超导 。而另一个小组在温度约为 13 的条件下发现该化合物具有超导性的证据 。
罗彻斯特大学的迪亚斯实验室已经打破了这些记录 。根据直觉和粗略计算 , 该研究小组测试了一系列氢化合物,以寻找氢的最佳比率 。如果氢含量太少,化合物就不能像氢那样具有稳定的超导性 。如果添加太多,化合物则会像氢一样,只有当施加足以压碎金刚石压砧的压力才能实现金属化 。在他们的研究过程中,该团队压碎了几十对价值3 000美元的金刚石压砧 。“这是我们研究中最大的问题 , 所需的金刚石压砧价格太高了 。”迪亚斯无奈地说道 。
最终取得成功的方案被证明就是2015年方案的重复 。研究人员在硫化氢中加入甲烷(碳氢的化合物),然后用激光烘烤 。
迪亚斯的合作者、拉斯维加斯内华达大学的凝聚态物理学家阿什肯·萨拉马特 (Ashkan Salamat)介绍说:“我们完善了该系统,并通过加入适量的氢,使这些库珀对在温度很高的条件下仍然能够正常运行 。”
但是 , 他们未能确定自己研制出的氢-碳-硫混合物的具体细节 。氢太小了,无法通过传统晶格结构的探针显示出来,因此该团队不知道原子如何排列,甚至不知道这种物质的确切化学式 。
布法罗大学计算化学家伊娃·祖雷克(Eva Zurek)所在的理论小组隶属于迪亚斯实验室 。今年早些时候 , 他们假设了一种可能在金刚石压砧之间形成金属的超导条件,结果却得到了与假设截然相反的结果 。祖雷克怀疑是高压将物质转化成了一种未知的排列方式,而通过这种排列方式组成的物质具有超强的超导性 。

经验总结扩展阅读