2020年诺贝尔物理学奖深度剖析
首个室温超导体问世,废了几十颗
盘点iPhone 12没有太大用处的升级
OPPO冲刺销量,新机上市不足6个月
科学家探险1年敲响气候变暖警钟

首个室温超导体问世,废了几十颗钻石

2020-10-16 08:42 主页 来源:未知
首个室温超导体问世,废了几十颗钻石



一项新纪录,今天轰动整个物理界。
在15℃温度下,竟然也能观察到超导现象!
这就是来自罗切斯特大学的最新研究,他们设计出了一种新型氢化物,可以在这般「高温」下,无任何电阻地导电。
科学家发现,这种由氢-硫-碳组成的材料,在巨大的压力(大约是地球核心的75%)下,室温时就能转变成超导体。
 
这也是人类发现的第一种室温超导体。
今天,Nature也以封面的形式对其报道,意义之重,可见一斑。
 
西班牙巴斯克大学凝聚态物质理论家 Ion Errea认为:
这是第一次真正声称发现了室温超导现象。
剑桥大学的材料科学家Chris Pickard评价道:
这显然是一个里程碑。
首个室温超导体
来自罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起,然后在超高压下让整个混合物重新组合。
他们选择了硫化氢(一种臭鸡蛋气味气体)和甲烷(天然气主要成分),将这两种物质与铂电极一起放在金刚石砧中。
 
金刚石砧是两个“尖对尖”金刚石,在二者之间可以产生巨大的压力,可以达到几百万个大气压。
当压力超过4万个大气压时,研究人员用绿色激光照射数小时,破坏硫-硫键,从而形成硫-氢化合物。
 
在175万个大气压下,样品冷却至-93°C就会发生超导转变。如果继续增加压力,超导转变的临界温度会不断提高。
当到达到267万个大气压时,只需把样品降低至15°C,就能看到电阻消失。
除了电阻为零外,科学家还发现了另一些超导的证据,比如在转变温度下,这种物质屏蔽了磁场,这是超导体一项重要特征。
 
为了寻找这种室温超导化合物,他们用废了几十对金刚石砧,每一对的价格3000美元。论文通讯作者Ranga Dias说:“我们研究的最大问题就是金刚石预算。”
金刚石砧产生的超导材料数量极少,大约是单个喷墨颗粒的大小。而且这种超导材料不够稳定,只要放置过夜就会分解。
超高压条件以及不稳定的性质,意味着这种室温超导体难以有实际性质,但这却是人类发现的第一种室温超导体,探索超导体100多年的道路上具有里程碑意义。
应用广泛的超导体
超导体(superconductor),是指在低于某一温度时,电阻为零的导体。
超导现象是在100多年前,由荷兰物理学家昂内斯发现。他把汞降低到4.2K(约零下269度)时,发现汞的电阻突然消失,因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。
除了「零电阻」外,它还具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特点。
完全抗磁性,又称迈斯纳效应,能让超导体内部的磁感应强度为零,及超导体排斥体内的磁场。这种特性最大的用途是用来做磁悬浮。
 
磁通量量子化,又叫做约瑟夫森效应,指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时,电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。
超导体中的磁通量量子化可以用来制造超导计算机。
 
除了这些高大上的设备,我们的日常生活也离不开超导体,比如医院里的核磁共振成像,还有手机信号基站也需要超导体来制造滤波器。
然而,超导体的低温限制,成了它的阻碍它应用的最大局限。
 
直到1987年,美籍华裔物理学家朱经武发现了液氮(77K)温区的“高温超导体”钇钡铜氧,才让超导体应用更加广泛。
但科学家们希望能够找到一种无需冷却,在室温下即可使用的超导体。
这也正是此次发现能够引起如此反响的原因——是科学家们苦苦探寻了几十年的一种超导体,提高温度意味着不需要复杂的冷却设备。
要知道,此次的研究要比去年的最新进展足足高出了30多摄氏度。
 
除了高温这个局限性外,还有就是高压。
超导体只能在极高的压力下存活,相当于接近地球中心的压力,相当于马里亚纳海沟压力的40倍。
因此,也正如研究作者所说,这意味着它不会有任何直接的实际应用。
尽管如此,物理学家们仍然希望,这个超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路。
5年追梦成真
5年前的德国物理学家的发现为找到室温超导体敲开了大门。
要知道为何氢-硫-碳会成为室温超导体,我们先介绍一下超导的原理。
在正常状态下,电子以个体形式运动,碰撞到原子就会产生电阻。
而在超导体中,两个电子会配对形成所谓“库珀对”(Copper pair)。一旦电子结伴,它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体,让电阻彻底消失。
库珀对的形成可以这样通俗理解:
当带正电的原子被电子吸引后,就会聚集起来,这里正电荷多一点,自然会吸引别的电子过来,这两个电子即完成配对。
 
显然原子质量越重,就越难被电子吸引,电子也就越难形成库珀对,因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢。
但问题是,常压下固态氢中没有自由电子。只有高压改变固态氢的结构,让氢释放出电子,才有可能形成库珀对。此时氢变成了一种金属状态——金属氢。
 
△ 木星内部可能存在金属氢
1968年,康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测,金属氢在常温下应该是超导体。
然而,要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了,以现有实验室条件难以达到,倒是木星内部有可能满足这样的条件。
 
△ 科学家用高压制备出金属氢
2017年,哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢,但压力不足以让其变成超导体。
Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上,这类化合物获取能在稍低的压力下变成超导体。
但添加多少比例的氢是个技术活。如果添加太少,化合物就不会像金属氢那样超导。如果添加太多,那么化合物超导所需压力太大,实验室里难以达到。
终于在2015年,德国科学家Eremets发现,一种氢和硫的化合物在-70℃时转变成超导体。
2018年,同样是Eremets的团队发现了冰箱温度下的超导体氢化镧,这种物质在-23℃、170万个大气压下变成超导体。
作者、团队介绍
这项研究的团队,来自罗切斯特大学。
 
△Ranga Dias
Ranga Dias,是这次研究的通讯作者,本科就读于科伦坡大学,攻读的是物理和数学专业。
2007年, Dias搬到美国华盛顿,开始了他的博士工作,领域聚焦在极端凝聚态物理领域,专攻简单分子系统中的超导和绝缘体金属过渡。
 
△Nathan Dasenbrock-Gammon
Nathan Dasenbrock-Gammon,本科就读于在北肯塔基大学,目前是罗切斯特大学物理学专业的博士一年级学生。
 
△Ray McBride
Ray McBride,是罗切斯特大学的一名研究生,正在攻读机械工程硕士学位。2018年,我获得了SUNY Geneseo的物理学学士学位,担任过导师和实验室讲师。
超导体若是能够在日常生活中应用起来,对人们的生活影响肯定是巨大的。
 
当然,这条路是「道阻且长」,虽然已经翻过了一座大山,但还有诸多问题待解决。
对此,作者也表示了他们研究的下一步:
制造无需高压力、稳定的高温超导体。