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287K!室溫超導首次實現


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作者:辛雨 唐鳳

室溫下實現碳—硫—氫體系超導。 圖片來源:ADAM FENSTER

10月14日,《自然》報道了美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias聯合內華達大學等團隊在室溫超導領域的重大突破:實現287K(約15℃)溫度下的碳—硫—氫體系超導。

但這種新型室溫超導體只能在267GPa(相當於地球中心壓力3/4)的壓力下工作。

換句話說,如果研究人員能夠將這種材料穩定在環境壓力下,超導應用普及的夢想就有望實現,比如用於核磁共振成像和磁懸浮列車、無耗散電流傳送和不需要冷卻的超強超導磁體等。

「這是一個裏程碑。」英國劍橋大學物理學家Chris Pickard說。

但是,美國加州大學聖迭戈分校物理學家Brian Maple認為,該實驗的極端條件意味著,盡管它「相當驚人」,但「這肯定不會對制造中的設備有用」。

研究人員將碳和硫元素形成的混合物球磨成5微米以下的顆粒,隨後裝載到金剛石壓砧(產生超高壓的裝置)中,並充入高壓氫氣。

在加壓的狀態下,用紫外光照射,壓力和光輻射共同驅動S-S鍵的光分解,形成硫自由基,並與氫分子反應生成硫化氫,最終制出均勻透明的晶體。

當將壓力提高到148GPa並表征電導率時,研究人員發現材料在147K時變成了超導體。將壓力進一步增加到267GPa,研究小組達到了287K的超導「臨界溫度」,磁性測量也表明樣品已經變成了超導體。

中國科學院物理研究所研究員靳常青表示,該研究提供了旨在證明超導兩個最基本特性的實驗結果,即零電阻和抗磁性。

靳常青告訴《中國科學報》,在超高壓環境下,樣品的量非常小,在文章所述的微米級尺度下檢測樣品電阻,尤其是磁信號的實驗難度非常大。

「這個實驗結果如能得到其他研究組的進一步確認,對超導的基礎研究和潛在的室溫大規模應用而言,都是相當令人鼓舞的進展。科學家需要繼續深入認識構效關系,比如通過化學摻雜,如何在較低壓力甚至常壓下實現室溫和更高溫度超導。」靳常青說。

實際上,硫化氫在高壓下會變身高溫超導體,曾被中國科學家「預言」。

2014年,吉林大學教授馬琰銘、崔田團隊各自通過理論計算預測:硫化氫在160GPa下超導臨界溫度為80K;硫化氫與氫的複合結構在200GPa下超導臨界溫度在191K至204K之間。

2015年,德國馬普學會化學研究所物理學家Mikhail Eremets團隊在高壓條件下的硫化氫結構中達到了203K(約-70℃)的超導臨界溫度。

2019年,Eremets團隊再次在《自然》發文報告了鑭—氫化物在170GPa、250K(約-23℃)的超導性,這也是此前高溫超導體的最高臨界溫度紀錄。

Eremets表示,此次最新研究似乎提供了關於高溫電導率令人信服的證據。但他指出,Dias小組還不能確定超導化合物的精確結構,他希望從實驗中看到更多的「原始數據」。

Dias等人表示很快就會著手解決這個問題,而且他們可能也會用其他元素來替代三組分混合物,希望能產生溫度更高的超導體。


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