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人类首次实现室温超导:创造出临界温度约为1

作者:德国赌场 发布时间:2020-11-14 06:32 点击数:

  近日,美国罗切斯特大学的科学家们在260万个大气压下,成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料,这是人类首次实现室温超导。

  超导体是一种比常规导体更为优越的无损耗导电材料。现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作,这大大限制了它们的大规模应用。因此,找到一种室温超导材料,是物理学家长久以来的梦想。而今,我们迎来了人类探索超导之路上的里程碑事件。

  其实,现在距离首次发现超导现象足足有100多年了。早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已经发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时,浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。

  但直到1957年,才有了第一个真正能描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库伯(Leon Cooper)和约翰·施里佛(John Schrieffer)基于“波粒二象性”建立。他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中,电子会被束缚形成“库伯对”(Cooper pair),从而产生集体凝聚的波,这种波不同于自由电子,可以无阻碍地穿越晶格点阵。

  “库伯对”就仿佛是电子在互相一起舞蹈,但这种和谐的情况会随着温度的升高而逐渐消失。而如何让“库伯对”在温度很高的情况下也能稳定存在呢?尼尔·阿什克罗夫特(Neil Aschcroft)在1968年给出了答案,氢原子或许能成为超导体运作中的有力助手。氢原子体积很小,能使得电子在晶格点阵中距离得更近,而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快,使“库伯对”更紧密。

  但是只单纯用氢,需要1000万个大气压才能实现超导体目标,如果添加另一种元素,让氢嵌入其中,就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后大家对氢化合物的大量测试,包括CaH、H S、H S已经被相继发现能在“高温”条件(40K)下实现超导性。

  2019年,人类在室温超导研究更进一步。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁(Maddury Somayazulu)的研究组宣布,十氢化镧(LaH10)在190万个大气压下,可以在逼近室温的260K以上出现超导性,这是曾经超导临界温度的最高纪录。

  罗切斯特大学的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)与索马亚祖鲁一样,也一直在寻找最合适的氢化合物。而距离索马亚祖鲁的研究仅一年,迪亚斯就用一种含碳的硫化氢刷新了超导体临界温度的纪录。他的团队在一种用于在极高压下检测微量材料的研究装置——金刚石对顶砧(diamond anvil cell, DAC)中,将碳硫和氢(C-S-H)结合在一起,以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统(carbonaceous sulfur hydride),它的最大临界温度为287.7±1.2K(约15℃),此时的压力是267±10千兆帕,约为海平面大气压的260万倍。

  迪亚斯说:“之前从未有人预测到过这种C-S-H三元体系的超导性,我们在这个领域摸索了很多年,整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体。”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向,因此迪亚斯认为,此次的发现既是意料之外,又在情理之中。

  除了开始提到的氢原子能更可能提供“库伯对”,迪亚斯还表示,为了获得高温超导体,也需要更强的化学键和较轻的元素,这是两项最基本的标准。而氢恰是最轻的元素,氢键正是最强的键之一。

  理论上,金属氢具有较高的德拜温度和强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的。但是需要极高的压力,才能使纯氢变成金属态。于是,迪亚斯的实验室一直在寻求方法上的突破。最终,他们选择用富氢材料来模仿纯氢的超导相态,而不是直接使用纯氢。要使得这种富氢材料金属化,并不需要太高的压力。

  例如,迪亚斯的实验测试了钇和氢的组合,形成的氢化钇在约262K(约-11.15℃)的高温(当时的最高纪录)和约177万大气压之下表现出超导性。但最终奇迹还是出现在三种元素的组合上。

  他们将碳元素和硫元素以1:1的摩尔比混合并研磨成颗粒,放上DAC后充入氢气。随后,将该起始物料压缩至4千兆帕,并用激光照射数小时,以此使S-S化学键断裂,生成的硫自由基与氢气反应形成。加入甲烷(CH)后,混合物中会发生分子交换,构成一个特殊系统,而在极端条件下会形成超导化合物。而正是这种超导化合物突破了室温的界限。

  这样听起来似乎并不太难,但迪亚斯坦言,富氢材料的制造过程就非常繁琐,大部分合成材料需要在低压下制造,而有一些却需要高温高压的不可控制造条件来合成。而如何引入恰到好处的硫化氢和甲烷也是实验成功的关键,也是最困难的一步。

  迪亚斯说,要想在高温下维持库伯对,氢的含量必须“刚刚好”。如果氢的含量太少,那化合物的超导性就会不如纯氢,但如果氢的含量太高,那化合物就会表现得像金微量材料研究装置金刚石对顶砧中拍摄到的照片。属纯氢,需要非常高的压强才能实现超导性。测试中,迪亚斯损坏了非常多的金刚石,3000多对金刚石在加压中牺牲了。“这一过程的失败率非常高,”迪亚斯说,“我们总共做了几十次实验,才最终找到了合适的超导体。”

  最终,他们发现一种含碳的硫化氢超导体C-S-H在约260万倍大气压力,温度低于15摄氏度的情况下,电阻消失了。迪亚斯第一次看到结果时,还不太确信。为此,迪亚斯研究了C-S-H其磁性能。因为超导体和磁场会发生冲突,而强磁场会抑制超导性。

  当迪亚斯将C-S-H置于磁场中时,这种超导化合物就需要更低的温度才能具有超导性了。而研究小组对材料施加振荡磁场时发现,当材料达到超导体条件时,它会将磁场从其内部排出,这是C-S-H真实具有超导性的另一个证据。

  C-S-H的室温超导性,启示着未来的超导探索者:加入第三种元素,可以为实验组合带来更多可能性。迪亚斯表示:“我们相信,这会为预测高温超导材料提供新的思路。”要知道,在元素周期上,可以出现4950种双元素组合,而三元素组合可以达到161700种。这无疑暗示着更强大的超导体可能还藏在这些三元素组合中。

  不过,现在迪亚斯还无法给出这个三元素超导体的准确化学式。因为氢分子太小,在传统的晶格结构探测器中无法显示出来,因此研究者并不知道这种化合物内部的原子排列方式,也不能写出它的确切化学式。

  当然,尽管这次研究中的C-S-H实现了室温超导,但其所需要的压力仍然不小,这或许在生产中直接使用是不太现实的。而接下来的挑战,便是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法,从而使大批量生产更加经济。

  当被问到下一步的研究计划时,迪亚斯表示,他们已经成立了一家名为Unearthly Materials的新公司,目标便是通过“成分调谐”(compositional tuning)在普通环境气压下生产出这些稳定或亚稳定的材料。

  届时,传输电力的电网将不再每小时损耗掉多达2亿兆瓦的电能,悬浮列车和其他运输工具将以全新的方式行进,医学成像和扫描技术(如MRI和心磁图)将得到提高,用于数字逻辑和存储设备技术的电子产品将更高效、快捷……

  目前,我们还生活在一个半导体的世界。随着室温超导体的发现,一个不再需要电池的超导世界或许已经不远了。

  中国航空报讯:近日,美国罗切斯特大学的科学家们在260万个大气压下,成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料,这是人类首次实现室温超导。

  超导体是一种比常规导体更为优越的无损耗导电材料。现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作,这大大限制了它们的大规模应用。因此,找到一种室温超导材料,是物理学家长久以来的梦想。而今,我们迎来了人类探索超导之路上的里程碑事件。

  其实,现在距离首次发现超导现象足足有100多年了。早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已经发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时,浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。

  但直到1957年,才有了第一个真正能描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库伯(Leon Cooper)和约翰·施里佛(John Schrieffer)基于“波粒二象性”建立。他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中,电子会被束缚形成“库伯对”(Cooper pair),从而产生集体凝聚的波,这种波不同于自由电子,可以无阻碍地穿越晶格点阵。

  “库伯对”就仿佛是电子在互相一起舞蹈,但这种和谐的情况会随着温度的升高而逐渐消失。而如何让“库伯对”在温度很高的情况下也能稳定存在呢?尼尔·阿什克罗夫特(Neil Aschcroft)在1968年给出了答案,氢原子或许能成为超导体运作中的有力助手。氢原子体积很小,能使得电子在晶格点阵中距离得更近,而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快,使“库伯对”更紧密。

  但是只单纯用氢,需要1000万个大气压才能实现超导体目标,如果添加另一种元素,让氢嵌入其中,就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后大家对氢化合物的大量测试,包括CaH、H S、H S已经被相继发现能在“高温”条件(40K)下实现超导性。

  2019年,人类在室温超导研究更进一步。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁(Maddury Somayazulu)的研究组宣布,十氢化镧(LaH10)在190万个大气压下,可以在逼近室温的260K以上出现超导性,这是曾经超导临界温度的最高纪录。

  罗切斯特大学的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)与索马亚祖鲁一样,也一直在寻找最合适的氢化合物。而距离索马亚祖鲁的研究仅一年,迪亚斯就用一种含碳的硫化氢刷新了超导体临界温度的纪录。他的团队在一种用于在极高压下检测微量材料的研究装置——金刚石对顶砧(diamond anvil cell, DAC)中,将碳硫和氢(C-S-H)结合在一起,以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统(carbonaceous sulfur hydride),它的最大临界温度为287.7±1.2K(约15℃),此时的压力是267±10千兆帕,约为海平面大气压的260万倍。

  迪亚斯说:“之前从未有人预测到过这种C-S-H三元体系的超导性,我们在这个领域摸索了很多年,整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体。”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向,因此迪亚斯认为,此次的发现既是意料之外,又在情理之中。

  除了开始提到的氢原子能更可能提供“库伯对”,迪亚斯还表示,为了获得高温超导体,也需要更强的化学键和较轻的元素,这是两项最基本的标准。而氢恰是最轻的元素,氢键正是最强的键之一。

  理论上,金属氢具有较高的德拜温度和强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的。但是需要极高的压力,才能使纯氢变成金属态。于是,迪亚斯的实验室一直在寻求方法上的突破。最终,他们选择用富氢材料来模仿纯氢的超导相态,而不是直接使用纯氢。要使得这种富氢材料金属化,并不需要太高的压力。

  例如,迪亚斯的实验测试了钇和氢的组合,形成的氢化钇在约262K(约-11.15℃)的高温(当时的最高纪录)和约177万大气压之下表现出超导性。但最终奇迹还是出现在三种元素的组合上。

  他们将碳元素和硫元素以1:1的摩尔比混合并研磨成颗粒,放上DAC后充入氢气。随后,将该起始物料压缩至4千兆帕,并用激光照射数小时,以此使S-S化学键断裂,生成的硫自由基与氢气反应形成。加入甲烷(CH)后,混合物中会发生分子交换,构成一个特殊系统,而在极端条件下会形成超导化合物。而正是这种超导化合物突破了室温的界限。

  这样听起来似乎并不太难,但迪亚斯坦言,富氢材料的制造过程就非常繁琐,大部分合成材料需要在低压下制造,而有一些却需要高温高压的不可控制造条件来合成。而如何引入恰到好处的硫化氢和甲烷也是实验成功的关键,也是最困难的一步。

  迪亚斯说,要想在高温下维持库伯对,氢的含量必须“刚刚好”。如果氢的含量太少,那化合物的超导性就会不如纯氢,但如果氢的含量太高,那化合物就会表现得像金微量材料研究装置金刚石对顶砧中拍摄到的照片。属纯氢,需要非常高的压强才能实现超导性。测试中,迪亚斯损坏了非常多的金刚石,3000多对金刚石在加压中牺牲了。“这一过程的失败率非常高,”迪亚斯说,“我们总共做了几十次实验,才最终找到了合适的超导体。”

  最终,他们发现一种含碳的硫化氢超导体C-S-H在约260万倍大气压力,温度低于15摄氏度的情况下,电阻消失了。迪亚斯第一次看到结果时,还不太确信。为此,迪亚斯研究了C-S-H其磁性能。因为超导体和磁场会发生冲突,而强磁场会抑制超导性。

  当迪亚斯将C-S-H置于磁场中时,这种超导化合物就需要更低的温度才能具有超导性了。而研究小组对材料施加振荡磁场时发现,当材料达到超导体条件时,它会将磁场从其内部排出,这是C-S-H真实具有超导性的另一个证据。

  C-S-H的室温超导性,启示着未来的超导探索者:加入第三种元素,可以为实验组合带来更多可能性。迪亚斯表示:“我们相信,这会为预测高温超导材料提供新的思路。”要知道,在元素周期上,可以出现4950种双元素组合,而三元素组合可以达到161700种。这无疑暗示着更强大的超导体可能还藏在这些三元素组合中。

  不过,现在迪亚斯还无法给出这个三元素超导体的准确化学式。因为氢分子太小,在传统的晶格结构探测器中无法显示出来,因此研究者并不知道这种化合物内部的原子排列方式,也不能写出它的确切化学式。

  当然,尽管这次研究中的C-S-H实现了室温超导,但其所需要的压力仍然不小,这或许在生产中直接使用是不太现实的。而接下来的挑战,便是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法,从而使大批量生产更加经济。

  当被问到下一步的研究计划时,迪亚斯表示,他们已经成立了一家名为Unearthly Materials的新公司,目标便是通过“成分调谐”(compositional tuning)在普通环境气压下生产出这些稳定或亚稳定的材料。

  届时,传输电力的电网将不再每小时损耗掉多达2亿兆瓦的电能,悬浮列车和其他运输工具将以全新的方式行进,医学成像和扫描技术(如MRI和心磁图)将得到提高,用于数字逻辑和存储设备技术的电子产品将更高效、快捷……

  目前,我们还生活在一个半导体的世界。随着室温超导体的发现,一个不再需要电池的超导世界或许已经不远了。

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