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《Nature》里程碑突破:15℃,真正意义上的室温超导!

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发表于 2020-10-16 13:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
《Nature》里程碑突破:15℃,真正意义上的室温超导!
高分子科学前沿
10-15 10:09



中学物理的焦耳定律告诉我们,电流通过电阻会发热,这样一来,大量的能源就会变成热能损失了。而有一种神秘的材料,能够破解这个“魔咒”,它就是超导体。在超导体中,电流的输送可以无视电阻,不会有一丁点损耗,效率可以达到100%。因而,超导体被视作一种重要的革命性材料,一旦研制成功,将会带来巨大的经济效益,也会极大地推进科技向前发展。

超导体是指在特定温度以下,电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导体和高温超导体。这里的高温(大于-200℃)是相对于绝对零度而言的,其实远低于冰点摄氏0℃。

虽然目前超导体已经在MRI核磁成像、粒子加速器和量子计算等领域得到了应用,但是他们必须被冷到极低的温度才能实现超导状态。这意味着实际应用中需要依赖昂贵的低温液体,如液氦,来维持低温环境。因此,超导应用的成本急剧增加,甚至维持低温的成本,都要远超材料本身的价值。

一个世纪以来,科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度。而室温超导,更是成为物理学家们心中高高在上的圣杯!随着越来越多的超导材料被发现,最高临界温度的纪录也在不断刷新,逐步向室温目标迈进。目前,高温超导体的最高临界温度记录是德国马普化学所A. P. Drozdov团队保持的250K(-23°C)。


                               
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近日,这个记录再次被刷新!2020年10月14日,《Nature》在线刊登了美国罗彻斯特大学Ranga P. Dias等人在室温超导领域的重大突破:跨过了零度(273K)这一节点,一举实现288K(约15℃)温度下的C-S-H体系超导!而且,这也是首次包含三种元素而不是两种元素的有机超导体系的报道!

值得注意的是,这篇工作《Nature》编辑部从收到稿件(8月31日)到接受(9月8日)仅仅用了不到10天时间!可见该成果的里程碑式的突破,以及对室温超导领域的重大意义!


                               
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那么,作者是如何实现这个破纪录的临界温度?这项工作的意义在哪里呢?

为方便各位读者大大了解作者的思路,更好地理解这篇文章的工作,小编先带大家回顾一下室温超导的历史进程。
室温超导体的发展进程

1908年,荷兰科学家Onnes成功制备液氦,并在液氦温度下研究物质的热力学和电学性质。1911年,Onnes等人首次发现,在温度冷却到4K(-269°C)以下时,水银的电阻会变为0。这也是世界上首次发现超导现象,Onnes更是凭此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

1957年,科学家Bardeen、Copper 和 Schrieffer 联合提出著名的BCS理论,即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用,互相吸引,形成Cooper对。而这个Cooper对可以在晶格中无阻碍传输,不会产生电阻,从而实现超导。而临界温度的存在,则是保证晶格振动不会对Cooper堆造成破坏。

美国科学家麦克米兰基于BCS理论计算,认为超导临界温度不太可能超过39K(约-234℃),39K这个温度也被称为“麦克米兰极限”。这个极限温度一度被主流学界所接受。

1986年瑞士科学家Bednorz和Muller发现了转变温度为36K的 La-Ba-Cu-O超导体。这类超导体属于新的合成陶瓷材料,拓宽了超导材料的研究范围,对新的超导材料的研究具有极大的指导作用,同时也揭开了高温超导发展的序幕。Bednorz和Muller也因其成果对超导研究的重大意义,获得1987年诺贝尔奖物理学奖。

1987年,我国著名科学家赵忠贤院士团队首次在钇钡铜氧(Ba-Y-Cu-O)中发现了临界温度为93k(-180°C)的超导转变,实现高温超导体领域的重大突破。赵忠贤院士也因在这一领域的突出贡献,荣获国家最高科学技术奖。

2008年,以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠、靳常青、丁洪、任治安、陈根富等人为代表的中国研究团队,相继在铁基高温超导上实现了突破,不断刷新温度记录,堪称中国铁基超导“奇迹”。

2014年,吉林大学的马琰铭和崔田团队基于BSC理论,各自通过理论计算做出预测:HS在160GPa下会变身高温超导体,临界温度为80K;HS与H复合成的H3S结构在200 GPa下超导,临界温度在191K至204K之间。

2015年9月,德国马普化学研究所的A. P. Drozdov、M. I. Eremets等人发现,当压缩HS到接近2百万倍大气压下时,可实现203K(约-70℃)温度下超导。


                               
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2019年,A. P. Drozdov、M. I. Eremets等人实现自我突破,再次在《Nature》发文报道,在250K(约-23℃)的超导临界温度下,氢化镧(LaH10)会在170 GPa高压下变成超导体。


                               
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这些硫化氢和氢化镧超导体的共同特征是:富含氢,并且超导性仅在高于约一百万倍大气压的压力下出现。其实,早在1968年,Neil Ashcroft就基于BSC理论提出,固体氢可能是一种室温超导体,临界温度达到290K。只是,要把氢气压成类似金属的固体,需要媲美地心的惊人压力。不少物理学家转而通过富氢材料模拟固体氢,通过掺杂非氢原子来降低金属化的压力条件。

对于这类高压下富氢材料的超导现象,理论物理学家们展开了激烈的讨论并预测:在某些情况下具有低原子质量的元素可能导致高临界温度。氢是最轻的元素,氢键又是最强的化学键之一。硫化氢中的氢离子晶格可以在较高的温度下快速震动,无阻地运送Cooper电子对。而在高压的作用下,氢离子晶格能够保持坚固的结构,不会“震散架”。

室温超导的未来之路在哪?富氢+有机超导?

那么,除了在富氢材料中加入镧等金属元素,还有没有其他非氢原子可以用来进一步实现室温超导?

1964年,美国科学家Little提出了一维聚合物有机超导体的概念。他认为,在一维有机聚合物中可能存在超导体,并且其超导转变温度比室温高很多。

受此启发,罗彻斯特大学Ranga P. Dias等人突发奇想将富氢材料与有机超导这两条路径相结合,用碳来代替金属元素。他们运用一种绿色的光化学合成方式,在硫化氢体系中掺杂了一种自然界最廉价、最普通的元素——碳。

实验方案设计:1)将碳和硫以1比1摩尔比混合,球磨成5微米以下的颗粒,随后装载到一种称为“金刚石砧座”的装置中;2)氢分子充入其中,扮演反应物和传压介质的双重角色;3)利用两颗金刚石挤压,给样品施加4GPa的压强,并用波长532nm的紫外光照射数小时;4)在压力和辐射的双重作用下,驱动S-S键的光分解,形成硫自由基,并与氢分子反应生成硫化氢;5)迅速微调压强和激光位,最终制出均匀透明的C–S–H晶体结构。


                               
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图1:金刚石砧座示意图。这种装置可以放在手掌中,通过挤压两个扁平钻石之间包覆样品的薄金属箔来产生接近地心压力一半的极高压力。

通过电阻、磁化率、电输运和拉曼光谱测量,研究人员观察到C–S–H晶体在267GPa压力下,临界温度约288K时,具有零电阻、在施加的磁场下临界温度的降低、冷却时从材料内部排出磁场(迈斯纳效应)等三个超导体特征,并证实了从分子到金属以及超导的一系列结构和电子相变。这充分说明,有机衍生的C–S–H在267GPa压力下取得了约15℃的超导临界温度,创造新的世界纪录!

                               
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图2:在高压下,C–S–H体系的超导性表征。

此外,研究人员还指出,可以通过在更低压力下交换分子,微调C-S-H三元体系的组分,未来有望实现大气压下稳定或亚稳定的高温超导体。
论文的合作者,内华达大学拉斯维加斯分校的物理学家Ashkan Salamat表示,添加第三个元素可以大大拓宽未来寻找新超导体的范围,我们的工作开辟了一个全新的探索区域。
值得一提的是,如今诞生的又一全新世界纪录,标志着科学家实现室温超导的步伐正在加快,也代表着我们距离跨入无电力损耗的全新时代更进了一步。室温超导梦,不再遥远!


                               
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图3:纽约罗切斯特大学的超导实验室。

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