新型氫化物材料：在15攝氏度的溫度下，觀察到常溫超導現象
2022-09-29
這是高溫超導材料的全新記錄，這一突破性進展也代表著，人類向著長久以來希望創造出具有最優效率電力系統的目標又邁近了一步。
超導現象指電能可以在超導材料中零電阻通過，但是，這種超導效應以前只是在接近絕對零度的溫度下才能觀察到。而如果能夠實現常溫超導，則全球化電力供應的夢想將成真。
論文通訊作者、羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授 Ranga Dias 表示，開發在室溫下沒有電阻和磁場驅逐的超導材料，是凝聚態物理學的 “圣杯”。無數科學家已經尋找了一個多世紀。一旦找到，這些材料 “絕對可以改變我們所熟悉的世界。”
“由于低溫的限制，具有如此優異性能的材料并沒有像許多人想象的那樣徹底改變世界。然而，我們的發現將打破這些障礙，并為許多潛在的應用打開大門。”Dias 說。
物理學家夢寐以求的室溫超導材料
超導現象在 1911 年首次被發現，它賦予了材料兩個關鍵的特性：電阻消失和完全抗磁性。完全抗磁性又稱邁斯納效應，指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為零的現象。
強大的超導電磁元件已經成為磁懸浮列車、核磁共振成像 (MRI) 和核磁共振 (NMR) 機器、粒子加速器和其他先進技術的關鍵部件，包括早期的量子超級計算機。
但是，這些設備中使用的超導材料通常只能在極低的溫度下工作——這比地球上的任何自然溫度都低。這一限制也使得維護它們的成本很高，而且擴展到其他潛在應用程序的成本太高。
“將這些材料保持在低溫下的成本太高，你無法真正充分利用它們，”Dias 說。
在此之前，超導材料的最高溫度是 2019 年德國馬克斯?普朗克化學研究所和伊利諾斯大學芝加哥分校的實驗室里達到的。當時，該小組報告了用鑭-氫化物在零下 23℃左右下的超導性。
近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學物質作為高溫超導體的潛在候選者。然而，作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有希望的元素。
“要實現高溫超導體，你需要更強的化學鍵和更輕的元素。這是兩個非常基本的標準，” Dias 解釋道，“氫是最輕的材料，氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上講，固體氫具有德拜特征溫度和強電子 - 聲子耦合，這是室溫超導所必需的。”
然而，僅僅是將純氫轉化為金屬狀態就需要非常高的壓力。2017 年，哈佛大學教授艾薩克?西爾維拉 (Isaac Silvera) 和當時在西爾維拉實驗室做博士后的 Dias，首次實現了這一目標。
而這次為了創造新的記錄，Dias 在羅徹斯特大學的實驗室將氫、碳和硫元素，在一個金剛石壓腔中(用于在極高壓下極微量材料的實驗裝置)通過光化學合成簡單的碳質硫氫化物，將可以實現零電阻的溫度提高到了 15 攝氏度。
這也是人類第一次在室溫下觀察到具有超導特性的材料。
意義重大，挑戰也更大
“我們生活在一個半導體社會，有了這種技術，你可以把社會帶入一個超導社會，在那里你再也不需要電池之類的東西。” 這項發現的論文共同作者、內華達大學拉斯維加斯分校的 Ashkan Salamat 說。
但是，這次研究人員創造出的常溫超導材料，也有存在一些嚴重的限制。
他們觀察到的超導現象，是在 2670 億帕壓力條件下實現的，而這個壓力約是標準胎壓的一百萬倍。這一壓力目前只能在接近地球中心的極高壓力下存在，而且，他們在金剛石壓腔中產生超導現象的材料數量，是及其微量的，只能用皮升來表示(1 皮升大約是 10^-9 毫升)，這都意味著這一材料不會立即有任何實際應用。
盡管如此，物理學家還是希望它能為開發在低壓下工作的零電阻材料鋪平道路。研究人員表示，他們的下一個目標，將是在環境壓力下觀察常溫超導現象。
在研究人員的這套系統中，激光和壓力被用于將前體元素(碳、硫和分子氫)轉化為超導材料。當降低實驗溫度時，通過該材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經具有超導性，然后，他們開始增加壓強，超導臨界溫度隨壓力增加而上升，達到了實驗中實現的最高壓力值。
研究人員認為，通過化學方式控制上述系統，或有助于降低所需的壓力。“下一個挑戰是找到在較低壓力下制造常溫超導材料的方法，這樣就可以在更大的產量上節省成本。”Dias 說。
據了解，Dias 等人還創辦了一家新公司，名為 Unearthly Materials，旨在尋找一種在環境壓力下可規模化生產的常溫超導體。
但是，馬克斯·普朗克研究所的物理學家 Mikhail Eremets 警告說，關于這種物質還有很多未知。“還有很多事情要做。”
紐約州立大學布法羅分校的計算化學家 Eva Zurek 表示，由氫和另一種元素構成的高壓超導體已經被人們很好地理解。研究人員也用電腦模擬了碳、氫和硫的高壓混合物，但是這些研究不能解釋 Dias 小組觀察到的異常高的超導溫度。
“我相信，在這篇論文發表后，許多理論和實驗小組都會對這個問題進行研究。
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