15℃!高压下人类终实现室温超导,材料曾被中国学者预言

澎湃新闻记者 虞涵棋

2020-10-14 23:00 来源:澎湃新闻

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长达百年来,室温超导体一直是物理学的核心追求之一,更被赋予缓解人类能源问题的宏大愿景。
近几年间,高压下富氢材料的临界温度不断提升,人类离“超导圣杯”似乎也越来越近。终于,北京时间10月14日晚间发表在《自然》(Nature)杂志上的一项研究跨过了273K(约0℃)这个节点,一举实现287K(约15℃)温度下的含碳硫化氢超导。
这种室温超导是在金刚石“砧板”制造的267Gpa高压下实现的,相当于200多万倍标准大气压,很难谈得上实际应用。
但作为世界顶级学术期刊,《自然》从收到这篇论文(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性意义。
实际上,硫化氢H₂S这种著名的臭鸡蛋味气体在高压下会变身高温超导体,曾被中国科学家预言。2014年,吉林大学的马琰铭和崔田团队各自通过理论计算做出预测:H₂S在160GPa下超导临界温度为80K;H₂S与H₂复合成的H3S结构在200GPa下超导临界温度在191K至204K之间。金刚石顶砧高压装置下实现室温超导

金刚石顶砧高压装置下实现室温超导

而这次来自美国罗彻斯特大学、英特尔公司和内华达大学的联合研究团队实现了历史性突破,则是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。
该团队也在论文结尾处指出,通过在更低压力下交换分子,微调(C-S-H)碳-硫-氢三元体系的组分,未来可能实现大气压下稳定或亚稳定的高温超导体。
消失的电阻
超导,全称超导电性,是20世纪最重要的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。
1908年,荷兰科学家翁内斯(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,他发现汞的电阻在温度降到4.2K(-269℃)以下时变为0。
中学物理告诉我们,电流通过电阻会发热。大量的能源就在这一欧姆定律的“魔咒”中浪费了,而奇妙的超导体成为了破咒的法门。
翁内斯凭此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。此后,共有9名科学家在超导研究领域获得了5次诺奖。
虽然奖项颁得很勤快,但人类提升超导临界温度的进展却很缓慢。要知道,通常情况下,电子在定向运动时会与金属晶格碰撞,形成电阻。1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 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,就是传统超导体的超导机制。临界温度的存在,则是因为较高温度下更强的晶格振动对Cooper对造成破坏。
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。
受到极低温度的限制,目前超导体在MRI、粒子加速器、量子计算等领域的应用无法广泛拓展到电网、磁悬浮等令人期待的方向。室温超导,成为高高在上的圣杯。
临界的温度
中国科学家在高温超导领域收获颇丰,赵忠贤院士就曾因在这一领域的突出贡献荣获国家最高科学技术奖。赵忠贤是国际上最早认识到铜氧化合物超导体重要意义的少数科学家之一。他的团队从1986年底到1987年初,在十分简陋的实验条件下夜以继日工作,终于和国际上少数几个小组几乎同时在镧-钡-铜-氧体系中获得了40K以上的高温超导体。1987年2月,赵忠贤团队终于在钇钡铜氧(Ba-Y-Cu-O)中发现了临界温度为93k的超导转变。
2008年,国内几个研究团队又各自独立在铁基高温超导上实现了突破,堪称中国铁基超导“奇迹”。
这一类颠覆了BSC理论和其推论“麦克米兰极限”的新型超导体,被称作高温超导体,其超导原理尚未有定论。
富氢的材料
本以为人类追逐室温超导圣杯的道路会在新型超导体领域一路前行,但近几年,一类传统超导体却奇峰突起,不断刷新温度纪录。
这类材料的关键词是氢。1968年,Neil Ashcroft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。
2014年,吉林大学的马琰铭和崔田团队基于对BSC理论的计算,各自做出了关键预测。前者预言H₂S在160GPa下超导临界温度为80K;后者则认为H₂S与H₂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德罗兹洛夫(A. P. Drozdov)和叶列米特(M. I. Eremets)发表《自然》论文,在高压下硫化氢结构中做到了203K(约-70℃)的超导临界温度。
2019年5月,德罗兹洛夫和叶列米特实现自我突破,在170Gpa高压下,用氢化镧(LaHx)体系取得了最高可达250K(约-23℃)的超导临界温度。
对面硫化氢超出预期的表现,理论物理学家们展开了讨论。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,无阻地运送库珀电子对。不过,氢离子晶格同时需要保持坚固的结构,不会“震散架”。正因如此,高压条件至关重要。
有机的超导
那么,除了在硫化氢体系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?
这次,罗彻斯特大学的Ranga P. Dias等人受到美国科学家Little于1964年提出的一维聚合物有机超导体概念的启发,将富氢材料与有机超导这两条路径相结合,想到了用碳来代替金属元素。超导实验室

超导实验室

他们将碳和硫元素以1比1摩尔比率混合,球磨成5微米以下的颗粒,随后装载到金刚石顶砧中。氢分子充入其中,扮演反应物和传压介质的双重角色。整个样品随后被施加4Gpa的压强,并用波长532纳米的光照射数小时。压力和辐照驱动S-S键的光分解,形成硫的自由基,与氢分子反应生成硫化氢。最后,研究人员迅速微调压强和激光位,最终制出均匀透明的晶体结构。这种脆弱的晶体不能在10Gpa以下的压强中保持稳定。
通过电阻、磁化率、电输运和拉曼光谱测量,团队认为该含碳硫化氢材料在267Gpa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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责任编辑:李跃群
校对:丁晓
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 超导,室温超导,凝聚态物理

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