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发表于 2020-10-16 13:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
升了,又升了!

Original 二宗主
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经过一个多世纪的等待,物理学家终于创造出了第一个室温超导体

这是由罗切斯特大学的物理学家Ranga Dias领导的研究研究团队,公布于10月14日的《自然》杂志上的一项研究结果。这一新的发现将人们对室温超导的期待再度推向新的高点。

一直以来,所有超导体的运作前提都是必须确保超导材料被冷却到很低的温度,甚至是极低的接近绝对零度的温度,这使得在大多数情况,它们都无法被应用。而新的突破是一项里程碑式的结果,它唤起了人类对未来科技的无限遐想。


                               
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超导性的历史可以追溯到上世纪初。1911年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)在对水银进行实验时,首次发现当水银被冷却到4.2K(约-269℃)时,其电阻会突然下降到0,这种情况下的电流可以在没有任何热损耗的情况下不间断地流动。

1957年,物理学家约翰·巴丁(John Bardeen)、利昂·库珀(Leon Cooper)和约翰·施里弗(Robert Schrieffer)提出的BCS理论解释了这一现象:在低温环境下,移动的电子在超导体中会形成一对一对的电子对,即所谓的“库珀对”,这些库珀对在晶格中可以无损耗运动,形成超导电流。

1986年,两位物理学家在铜氧化物材料中发现,超导性出现的“临界温度”(Tc)可以稍微再高一些,大约30K(约-243℃)左右。很快,其他小组也制造出了相关材料。到了1994年,科学家已经可以在高压之下,将水银基的铜氧化物的临界温度提升到164K(约-109℃)。自1994年以来,这种铜氧化物在很长一段时间内都维持着最高的临界温度记录,其温度值在大气压强和高压下分别为133K(约-140℃)和164K。


                               
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故事说到这里,就已经到了室温超导的尽头吗?等等,让我们把时间往回倒退一点,回到上世纪60年代。

1968年,康奈尔大学的物理学家尼尔·阿希克夫(Neil Ashcroft)根据BCS理论预测出,有一种不同类型的材料应该能在室温环境下表现出超导性,这种材料就是高压下形成的固态氢(1935年,理论物理学家尤金·维格纳预言,在超过地球表面大气压的400万倍高压下,固态氢可以表现出导体性质)。

2004年,阿希克夫提出,或许可以将氢与另一种元素结合,以此可以产生一种“化学预压缩”,从而使得有可能在较低的压力实现高温超导。这个提议似乎是可行的。

2015年,由马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Mikhail Eremets领导的研究团队通过压缩氢和硫,在203K(约-70℃)的温度下,在H₃S中发现了超导性。在实验中,他们所使用的压强是155 GPa,是地球大气压的100万倍。

在接下来的几年里,Eremets研究人员又和其他团队一起,将含镧的富氢化合物的超导临界温度提高到了250K(约-23℃),在其中的一些样品中,这一温度甚至有可能高达280K(约7℃)。但这一切的前提条件都是必须对物质施与高压,一旦撤去高压,所有的化合物就会分解,无法稳定存在


                               
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在新的研究中,Dias和他的同事想,是否可以通过加入第三种元素来进一步提升临界温度?

他们选用的这第三种元素是碳,碳会与邻近原子形成强键。实验是通过一种名为金刚石压砧室的装置完成的,这是一种只有手掌大小的装置,目标物质会被置于两颗金刚石的顶端之间,并被施与巨大的压力。

在实验中,他们把用碳和硫研磨而成的微小固体颗粒置于金刚石压砧室中,然后用输入三种气体——氢气、硫化氢和甲烷,再然后,他们用绿色的激光照射金刚石,引发化学反应,使碳、氢、硫混合物变成一种透明晶体。

当他们将压力提高到148GPa时,发现合成的晶体可以在147K(约-126℃)时变成超导材料;通过将压强增加到267GPa,超导的临界温度甚至达到了288K(约15℃),这个温度是一个寒冷房间或一个理想酒窖就可以轻易达到的温度。

当研究人员最初看见这一幕时,他们不敢相信眼前的事实。他们对这种材料的其他样本进行了分析,并研究了它们的磁性。我们知道,超导体和磁场会发生碰撞,强磁场会抑制超导性。在实验中,研究人员发现,当将这种材料置于磁场中时,需要更低的温度才能使其具有超导性。这些磁场测量结果表明,这些材料的确已经表现出了可靠的超导性。


                               
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很显然,在这项最新研究中,关于压力的问题仍然存在:虽然他们发现了首个可在低于15℃的温度下就能展现出超导性的材料,但这种新型超导材料仍然只能在极高的压力下才能运作。这种极端条件意味着,目前它还无法被应用于实践。

此外,研究人员目前还无法确定这种新的超导材料的精确结构。他们表示,这正是他们接下来将着手研究的,以便更完整地对这种材料进行描述。并且他们还可能会开始使用其他元素来替代这个氢基化合物中的成分,看是否有可能产生温度更高的超导体。

尽管问题和未知仍然存在,但是科学家们的目标非常清晰。他们的最终愿望就是要找到一种可以在无需高压挤压的情况下运作的室温超导体。一旦做到这一点,那么室温超导的应用梦想就有望实现,人类的科技和生活也可能因此彻底改变,人类或许将从此进入一个“超导社会”。

对此,很多物理学家乐观地认为这一切是有可能的,他们认为创造出完全的室温超导体是迟早的事,因为一直以来科学家都在朝着这个方向努力。而且新的发现再次表明,超导中的室温障碍是可以被突破的。只是在那天真正到来之前,科学家或许还有一段艰苦的道路要走。


参考来源:https://www.sciencenews.org/article/physics-first-room-temperature-superconductor-discoveryhttps://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achievedhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z
封面图来源:J. Adam Fenster / University of Rochester




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