超导体的圣杯,高压下的氢化镧在250K(K代表绝对温标开尔文

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科技日报华盛顿5月22日电超导材料能无损耗传输电能,但其应用却因超导态严苛的低温要求而受限。因此,实现室温超导成为科学家的重要目标,如今他们离这一目标越来越近。在最新一期《自然》杂志上,美德两国科学家组成的研究小组发表论文称,他们实验证实,高压下的氢化镧在250K(K代表绝对温标开尔文,250K大约为-23℃)下中具有超导性。而250K,是迄今为止超导材料中已证实的最高临界温度。

低温超导可以使物体悬浮在空中。图片来源:Kiyoshi Takahase Segundo

过去的一个世纪里,科学家一直在寻找能在室温下具有超导性的材料,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。在2018年,两个独立研究小组几乎同时报告称,压缩的氢化镧化合物可能在更高的温度下表现出超导性,其临界温度范围从215K—280K不等。这一理论预测在当时引起了广泛关注。

硫化氢因臭鸡蛋气味而人尽皆知,但这种化合物却在一个创纪录的高温下——203开氏度——拥有导电零电阻。科学家于8月17日在《自然》杂志上报告了这一研究成果。

此次,美德两国研究人员通过实验验证了这一理论预测。他们使用一种被称为金刚石压腔的设备,利用两颗金刚石挤压一小块儿镧样品,使其在170吉帕的高压下转化为氢化镧化合物——LaH10,然后用X射线探测其结构和成分。研究人员观察到LaH10具有零电阻、在外加磁场作用下临界温度会降低、同位素效应(临界温度依赖于同位素质量的现象)这3个超导材料特征,但因样本量太小而无法对超导材料的另一个重要特征——迈斯纳效应(一种超导体对磁场的排斥现象)进行观测。他们表示,其所观察到的3个特征已可以证明,在250K的温度下,氢化镧在超过100万倍地球大气压下会变成超导物质。

这项研究的第一个结果发表在去年12月的arXiv预印本服务器上——它被认为是朝着发现一种室温超导体迈出的历史性一步,后续成果于今年6月问世。它们已经在超导研究领域激起了一波兴奋的浪潮。

250K,是目前人类高温超导的最新纪录,比此前的最高临界温度增加了50K左右。研究人员称,这是向实现室温超导目标迈出的令人鼓舞的一步。而同期《自然》杂志上刊发的评论文章则指出,这一研究结果表明,科学家对超导材料的研究可能进入了一个新阶段,开始从靠经验规则、直觉或运气发现超导体向由具体理论预测指导研究过渡。

188金宝搏,一种在室温下工作的超导体将使日常发电和传输变得更为高效,同时可以大幅提升当前对于超导体的使用,例如用于医学成像仪器的巨大磁体。

总编辑圈点

在《自然》杂志网站同时发表的一篇新闻与观点文章中,美国华盛顿哥伦比亚特区海军研究实验室Igor
Mazin将这项关于硫化氢的发现描述为“超导体的圣杯”。达拉斯市得克萨斯大学物理学家Fan
Zhang对此表示赞同,认为这一发现是“历史性的”并且其影响将“极为深远”。

百年时间里,人类已实现数万种材料的超导,但室温超导一直还是“终极目标”。这是因为,目前大多数超导体仍然仅在接近绝对零度的温度下工作。其意味着实际应用中需要依赖昂贵的低温液体——例如液氦等来维持低温环境。也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。如今诞生的又一全新纪录,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。

这项研究由德国美因茨市马普学会化学研究所Mikhail Eremets、Alexander
Drozdov和同事共同完成。

研究人员发现,当他们将硫化氢样品置于极高的压力下——约150万个大气压,并冷却至203开氏度以下,这些样品便会显示出超导电性的经典标志:零电阻和一个被称为迈斯纳效应的现象。当一个超导材料被放置在一个外部磁场中同时材料内部并没有磁场便发生了迈斯纳效应,这一点与普通材料不同。

奥地利格拉茨技术大学Christoph
Heil表示,其他科学家对这一发现极为感兴趣,因为它并没有使用一些特殊材料便实现了这一壮举。这些特殊材料包括含有铜的化合物,名为铜氧化物,迄今为止它保持着最高超导温度的纪录——常压下133开氏度、高压下164开氏度。Heil说,加压的硫化氢似乎是一个“传统”的超导体,即在材料晶格中的振动驱动电子形成“库珀对”,从而能够在晶体中移动而没有遭遇电阻。

在今年4月的一份计算报告中,法国巴黎第六大学Matteo
Calandra及其同事发现,美因茨的硫化氢研究成果能够用一个基于晶格振动的低温超导性传统理论的修改版本加以解释。这不免让人感到惊讶,因为科学家曾推断,超过几十开氏度温度下的超导性需要一些并不具有传统超导性的特殊材料。

然而对于其他人而言,这样的理论分析是多余的,直到由Eremets和同事取得的这一成果被其他独立研究团队的试验所证实。一些科学家已经在朝着这一目标努力,包括日本大阪大学的Katsuya
Shimizu及同事,他们已经观察到加压后硫化氢的电阻消失,但还没有发现迈斯纳效应。与此同时,有4个研究团队——3个来自中国1个来自美国——表示它们已经证实了电或磁效应。

如果Eremets及其同事是对的,那么其他氢化物或许也将成为高温超导的优质候选者。例如,已经有研究人员在arXiv预印本服务器上发表理论文章,提出取代了硫的由铂、钾、硒或碲与两个氢原子构成的化合物。

超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候,物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。超导体是指能进行超导传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度。

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