首个室温超导体让科学家又惊又喜
一种由氢、碳、硫组成的化合物打破了一大标志性限制——但高压条件给具体分析带来了难度。
Davide Castelvecchi
doi:10.1038/d41586-020-02895-0 | 原文链接

科学家创造出了一种非常神秘的材料,这种材料似乎能在最高15°C的室温下实现超导,创下了超导性的一个新纪录。通常来说,超导现象离不开极低的温度。虽然目前对这种材料的了解还很少,但它展现了2015年发现的一类超导体的潜力。

当然,这个超导体有一个很大的限制:它只能在存在于极端高压下——接近于地球中心的压强,这意味着该材料还无法直接应用。不过,物理学家希望它能为更低压强下的零电阻材料开发铺平道路。

从磁共振成像仪到手机信号塔,超导体有各种技术应用。研究人员已经开始在高性能风力涡轮发电机中测试这些超导体。不过,对庞大低温工程的要求依然限制着它们的应用。常见超导体可以在大气压下工作,但温度必须极低。即使是最先进的超导体——氧化铜基陶瓷材料——也要求温度在133开尔文(−140 °C)以下。室温超导体将带来巨大的技术变革,比如能让电子产品在运行更快的同时不会过热。

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纽约罗切斯特大学的超导实验室。来源:Adam Fenster

《自然》10月14日发表[1]的最新研究似乎给出了令人信服的高温超导证据,德国马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Mikhail Eremets表示。但他也想看到更多来自实验的“原始数据”。他说,这项研究验证了他从2015年开始的一项工作,当时他的团队报道[2]了首个高压高温超导体——能在最高−70 °C的温度下实现零电阻导电的氢-硫化合物。

2018年,一种高压氢-镧化合物被证明[3]可以在−13 °C实现超导。但最新的研究结果是第一次用三种而非两种元素组成的化合物实现了这类超导——这种材料由碳、硫、氢组成。加入第三种元素极大地拓展了将来用实验探索新型超导体所能尝试的组合,本文作者之一、拉斯维加斯内华达大学的物理学家Ashkan Salamat说。“我们开辟了一个全新的探索领域。”他说。

高压但非极高压下的超导材料已经能投入使用了,美国阿贡国家实验室的高压材料科学家Maddury Somayazulu说,这项研究表明,通过“审慎地选择超导体的第三和第四种元素”,原则上就能把工作压强降下来。

这项工作还证实了纽约康奈尔大学理论物理学家Neil Ashcroft几十年前的预测,即富氢材料或许能在比之前认为的高得多的温度下实现超导。“我认为高压领域之外,很少有人曾把他的话当真。”Somayazulu说。


神秘材料

纽约罗切斯特大学的物理学家Ranga Dias与Salamat等合作者一起,将一种碳氢硫混合物放入他们在两个金刚石尖之间切好的微腔中,用激光激发样品发生化学反应,并观察到一个晶体形成。随着他们不断将实验温度降低,穿过材料的电流电阻降到了零,显示该样品已经具有超导性。随后,他们开始增加压强,发现这种转变会在越来越高的温度下出现。最后,他们获得最佳结果的实验条件是287.7开尔文的转变温度和267吉帕的压强——相当于海平面大气压的260万倍。

研究人员还发现一些证据表明这个晶体会在转变温度下排挤掉它的磁场,这也是验证超导性的一个关键。但研究人员提醒称,这种材料仍有许多未知之处。“还有很多工作要做。”Eremets说。我们甚至还没搞清楚这种晶体的确切结构和化学式。“压强越高,样品就越来越小,”Salamat说,“那是让测量工作最具挑战性的地方。”

我们对由氢和另一种元素组成的高压超导体已经积累了足够的认识。研究人员也对高压碳氢硫混合物进行了计算机模拟,纽约州立大学布法罗分校的计算化学家Eva Zurek说。但她认为,这些研究无法解释 Dias团队所观察到的异常高的超导温度。“我确定,这篇文章发表出来后,许多理论和实验研究团队都会开始研究这个问题。”她说。


参考文献:

1. Snider, E. et al. Nature 586, 373–377 (2020).

2. Drozdov, A. P., Eremets, M. I., Troyan, I. A., Ksenofontov, V. & Shylin, S. I. Nature 525, 73–76 (2015).

3.Somayazulu, M. et al. Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).


原文以First room-temperature superconductor excites — and baffles — scientists为标题发表在 2020年10月14日的《自然》新闻版块

© nature

doi: 10.1038/d41586-020-02895-0


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