科学家详解室温超导材料:将改变我们所知道的世界

美国罗彻斯特大学的工程师和物理学家利用氢气在极高的压力下压缩成简单的固体分子,首次创造出了在室温下具有超导性的材料。这项研究是由物理和机械工程助理教授兰加·迪亚斯(Ranga Dias)的实验室完成的,并在近日成为《自然》杂志的封面故事。

超导体是指在特定温度下电阻为0的导体,零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。迪亚斯示,开发室温超导材料是凝聚态物质物理学的“圣杯”,研究者们已经寻找了一个多世纪,这些材料“绝对可以改变我们所知道的世界”。

为了创造新的记录,迪亚斯和他的研究团队将氢、碳和硫结合在一起,以光化学合成方法在一个金刚石压腔中合成了简单的有机衍生碳质硫氢化物。金刚石压腔是一个用来检测极高压力下极微量材料的研究设备。

碳质硫氢化合物在约15摄氏度和约2670亿帕的压力下表现出超导性。这是人第一次在室温下观察到超导现象。迪亚斯说:“由于低温的限制,具有如此优异性能的材料并没有像许多人想象的那样彻底改变世界。然而,我们的发现将打破这些障碍,并为许多潜在的应用提供可能。”目前,他也在参与罗彻斯特大学的材料科学和高能密度物理项目。

据介绍,这种室温超导材料的潜在应用包括:

在没有电阻之后,电网在传输电能时可以减少高达2亿兆瓦的能量;

开发一种推动悬浮列车和其他交通工具形式的新方式;

促进医学成像和核磁共振等扫描技术,以及心磁图扫描(magnetocardiography)的发展;

开发出更快、更高效的电子数字逻辑与存储设备技术。

这项发现的合著者、美国内华达大学拉斯维加斯分校的阿什肯·萨拉马特(Ashkan Salamat)说:“现在我们生活在一个半导体社会,有了这种技术,我们就将进入一个超导社会,你将不再需要电池之类的东西,”。

金刚石压腔所产生的超导材料的量是用“皮升”(picoliter,缩写为pL)来测量的,1皮升为1升的万亿分之一,大约是打印机单个喷墨墨滴的大小。

迪亚斯表示,下一个挑战是找到在较低压力下制造室温超导材料的方法,这样就可以节省成本并提高产量。与金刚石压腔内产生的数千亿帕压力相比,海平面上地球的大气压(即标准大气压)只有101325帕。

为什么室温很重要?

超导体在1911年首次被发现,具有两个关键的特性:一是电阻完全消失,二是完全抗磁性,又称迈斯纳效应。磁场线无法穿过超导体,必须在超导材料周围传递,使其有可能悬浮起来。这一现象这可以用于无摩擦的高速列车,即磁悬浮列车。如今,超导现象的应用已经相当广泛,强大的超导电磁铁已经成为磁悬浮列车、核磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)机器、粒子加速器和其他先进技术的关键部件,包括早期的量子超级计算机

然而,这些设备中使用的超导材料通常只能在极低的温度下工作——比地球上任何自然温度都低。这一限制使得维护它们的成本很高,而且难以扩展到其他潜在的应用上。“将这些材料保持在低温下的成本太高,因此无法真正充分地利用它们,”迪亚斯说道。

在此之前,超导材料的最高温度是2019年在德国马克斯·普朗克化学研究所的米哈伊尔·埃雷米茨(Mikhail Eremets)实验室,以及美国伊利诺伊大学的拉塞尔·赫姆利(Russell Hemley)的研究小组实现的。该研究团队报告了用镧超氢化物在零下23摄氏度左右的超导性。近年来,研究人员还探索了铜氧化物和铁基化学物质作为高温超导体的潜在可能性。不过,作为宇宙中最丰富的元素,氢也是一种很有前景的元素。

“要获得高温超导体,你需要更强的化学键和更轻的元素。这是两个非常基本的标准,”迪亚斯道,“氢是最轻的材料,而氢键是最强的化学键之一。从理论上讲,固体金属氢具有很高的德拜温度和很强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的。”

然而,仅仅是将纯氢转化为金属状态就需要非常高的压力。2017年,哈佛大学教授艾萨克·西尔维拉(Isaac Silvera)和当时在其实验室做博士后研究的迪亚斯合作,在实验室中首次实现了这一目标。

“范式转变”

在罗彻斯特大学的实验室里,迪亚斯在研究方法上追求一种“范式转变”,即使用一种替代性的富氢材料,这种材料既模拟了纯氢的超导相,而且可以在更低的压力下实现金属化。

首先,研究人员在实验室中结合了钇和氢。由此产生的超氢化钇表现出了超导电性,当时的温度约为零下11.1摄氏度,压力约为1790亿帕。

接下来,研究人员对共价富氢有机物衍生材料进行了探索。他们认为,通过加入第三种元素——碳,可以使临界温度提得更高,因为碳能与邻近原子形成很强的化学键。

最终,这项工作的成果便是一种简单的碳质硫氢化物,可以将实现超导的温度提高到15摄氏度。研究人员在报告中称:“碳的存在在这里也同样重要。”他们还表示,对这一元素组合进行进一步的“成分调整”,可能是在更高温度下实现超导性的关键。

不过,也有研究者认为,迪亚斯的实验条件十分极端,意味着距离实际应用还非常遥远。目前,迪亚斯和萨拉马特已经创建了一家名为“非凡材料”(Unearthly Materials)的公司,希望能找到一种在日常压力环境下可大规模生产的室温超导材料。在他们的这篇论文发表之后,相信世界各地也会有许多理论和实验小组加入到对这一问题的研究当中。

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一块磁铁悬浮在一个用液氮冷却的超导体上

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#物理化学#超导

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版权声明:老蒋 发表于 2020-10-17 18:01:56。
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