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首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

作者:付静
2020/10/15 18:35

室温超导之路,漫漫其修远兮。

近年来,尽管已经陆续有不少科学家声称实现了「室温超导体」,但国内外绝大多数的超导科研者往往都持如上态度。

但如今,这种态度应该要转变了——美国科学家们创造了一种氢化物材料,它竟然能在 15°C 的温度下无电阻地导电!

在最新一期的《自然》杂志(Nature)封面上,也写着一串激动人心的英文单词:Superconductivity finally reaches room temperature(室温下也终于能实现超导特性了)。

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

「室温超导」有何意义?

首先回答一个问题:15°C 的温度下出现超导现象,这意味着什么?

实际上,这是物理领域的一项重大突破!

上述所说的超导,是指超级导电——超导体或超导材料在某一温度下电阻为零。但严格来讲,只有同时具有上述零电阻效应和完全抗磁性两种特性的物质,才是科学意义上真正的超导体。

完全抗磁性通俗来讲就是对磁场的排斥现象,于 1933 年由 Walter Meissner 和 Robert Ochsenfeld 两位物理学家对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现,这种现象在科学界有个专业的名字——迈斯纳效应(Meissner effect)。

究其历史,科学家们最初发现超导体是在近一个世纪前。

1911 年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)等人利用液氦,将金和铂冷却到了 4.3K(-268.85 摄氏度)以下,发现铂的电阻保持在一个常数水平。接着,他们将汞冷却到 4.2K(-268.95 摄氏度)以下,发现其电阻几乎为零,而这正是物质的超导性。

1913 年,Heike Kamerlingh Onnes 又发现:锡和铅也和汞一样具有超导性。

同年,为表彰其对低温物质特性的研究,Heike Kamerlingh Onnes 获诺贝尔物理学奖,后世也将他视为是低温物理学的奠基人。 

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

根据上述描述可以看到,“超导”这个词出现时往往伴随的是一个特定温度,而这个温度一般都是很低的,比如:

在实验物理学中,一个长期存在的挑战便是室温超导,能真正发现「室温超导体」的科研团队可以说是诺奖级别的人物了。

据知乎答主“中国科普博览”所说,近年来已经陆续有不少科学家声称实现了「室温超导体」,但实际情况都是证据不足甚至是造假——这些研究中声称发现的超导体被科学界称为「可疑超导体」(Unidentifided Superconducting Objects)。

可见,能在 15°C 的温度下发现超导现象,绝对是一大里程碑事件。

首个室温超导体

来具体看看人类发现的首个室温超导体。

这一登上 Nature 封面的成果,来自于罗彻斯特大学(工程与应用科学学院机械工程系、罗彻斯特大学物理与天文学系)和内华达大学拉斯维加斯分校(化学与生物化学系、物理与天文学系)两所美国名校与英特尔公司。

2020 年 10 月 14 日,论文正式发表于 Nature,题为 Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride(碳-硫-氢化合物的室温超导性)。

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

物理学界的传承

早在 2015 年 8 月 17 日,一篇重磅论文发表于 Nature。论文显示,高压下,氢和硫的化合物在 −70℃ 时出现了超导现象。

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

3 年后,又有科学家发现,氢和镧的化合物在 −13℃ 时具有超导性。

可以说美国科学们此次的研究是这两大成果的一种「传承」——化合物可在高达 287.7 ± 1.2K(约 15 摄氏度)的温度下作为超导体运行,而这种化合物正是由氢、碳和硫组成。

据了解,这也是超导性首次出现在由三种元素组成的化合物中。对此,论文合著者之一、拉斯维加斯内华达大学物理学家 Ashkan Salamat 表示:

加入第三种元素,极大地拓展了未来寻找新型超导体的实验的思路。我们开辟了一个全新的探索领域。

不仅如此,这项研究还证实了康奈尔大学理论物理学家 Neil Ashcroft 几十年前的预测:富氢材料可能会在比我们想象得高得多的温度下实现超导。

研究成本不菲

实验中,研究团队用到了金刚石砧,金刚石砧由一对金刚石对顶砧和密封垫组成,二者之间可以产生约为几百万个大气压那么大的压力。

如下图所示,两颗尖对尖的钻石正是实验工具。

值得一提的是,研究并不总是一帆风顺的——该团队总共用废了数十对价值 3000 美元的钻石。

正如团队所说:

钻石的预算是我们研究过程中最大的问题。

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

上述突破性发现的得来过程大致是:

  1. 将碳、氢和硫的混合物放入金刚石砧中。

  2. 用激光触发混合物的化学反应,观察晶体的形成。

  3. 降低温度,发现通过材料的电流电阻降至零,表明该样品已经具有超导性。

  4. 增加压强,发现超导转变发生的温度越来越高。

首个室温超导体登上 Nature 封面!15°C 刷新纪录,超高压下展现超导特性

实验结果最终表明,在达到 267 万个大气压(海平面大气压的 260 万倍)时,化合物在 15°C 时的电阻为零。

对于这一温度,剑桥大学材料科学家 Chris Pickard 表示,15°C 应该是一个较低的房间温度,也许是维多利亚时代的一间小屋。

Chris Pickard 肯定了这项研究:

人们永远都在谈论室温超导,但他们可能并不十分了解,首个室温超导体是在如此之高的压力下发现的。

神秘的化合物

虽然已经实现了物理领域的一个重要突破,但研究团队也认为,关于这种物质还有很多未知之谜。而在 Nature 对其研究的大篇幅报道中,也将这种化合物称为 Mysterious material(神秘物质)。

研究人员表示:

还有很多事情要做,甚至这种晶体的确切结构和化学式也尚不清楚。而给的压力越大,样本量将越小,这就是我们的测量过程真正具有挑战性的原因。未来希望制造出无需高压且稳定的超导体。

对于这一成就,2015 年那篇论文的合著者之一、来自德国马克斯·普朗克化学研究所的物理学家 Mikhail Eremets 也表示:

这项研究提供了关于室温超导的令人信服的证据,但我还是希望能看到更多的实验原始数据。

磁悬浮列车、核磁共振、超导电缆、汽车马达、量子计算芯片......成就了一大批理论物理学家甚至诺奖得主的超导体在现实中已有了众多应用场景,但在实验上的进展却依旧极其缓慢。或许,这项室温超导体的发现将为物理学界带来新变革。

引用来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

https://www.zhihu.com/question/22636832

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