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287K!室温超导出炉了

2020-10-16 中国科学报 辛雨 唐凤
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室温下实现碳—硫—氢体系超导。图片来源:ADAM FENSTER

  10月14日,《自然》报道了美国罗切斯特大学物理学家Ranga Dias联合内华达大学等团队在室温超导领域的重大突破:实现287K(约15℃)温度下的碳—硫—氢体系超导。

  但这种新型室温超导体只能在267GPa(相当于地球中心压力3/4)的压力下工作。换句话说,如果研究人员能够将这种材料稳定在环境压力下,超导应用普及的梦想就有望实现,比如用于核磁共振成像和磁悬浮列车、无耗散电流传送和不需要冷却的超强超导磁体等。

  “这是一个里程碑。”英国剑桥大学物理学家Chris Pickard说。但是,美国加州大学圣迭戈分校物理学家Brian Maple认为,该实验的极端条件意味着,尽管它“相当惊人”,但“这肯定不会对制造中的设备有用”。

  研究人员将碳和硫元素形成的混合物球磨成5微米以下的颗粒,随后装载到金刚石压砧(产生超高压的装置)中,并充入高压氢气。在加压的状态下,用紫外光照射,压力和光辐射共同驱动S-S键的光分解,形成硫自由基,并与氢分子反应生成硫化氢,最终制出均匀透明的晶体。

  当将压力提高到148GPa并表征电导率时,研究人员发现材料在147K时变成了超导体。将压力进一步增加到267GPa,研究小组达到了287K的超导“临界温度”,磁性测量也表明样品已经变成了超导体。

  188体育直播物理研究所研究员靳常青表示,该研究提供了旨在证明超导两个最基本特性的实验结果,即零电阻和抗磁性。

  靳常青告诉《中国科学报》,在超高压环境下,样品的量非常小,在文章所述的微米级尺度下检测样品电阻,尤其是磁信号的实验难度非常大。

  “这个实验结果如能得到其他研究组的进一步确认,对超导的基础研究和潜在的室温大规模应用而言,都是相当令人鼓舞的进展。科学家需要继续深入认识构效关系,比如通过化学掺杂,如何在较低压力甚至常压下实现室温和更高温度超导。”靳常青说。

  实际上,硫化氢在高压下会变身高温超导体,曾被中国科学家“预言”。2014年,吉林大学教授马琰铭、崔田团队各自通过理论计算预测:硫化氢在160GPa下超导临界温度为80K;硫化氢与氢的复合结构在200GPa下超导临界温度在191K至204K之间。

  2015年,德国马普学会化学研究所物理学家Mikhail Eremets团队在高压条件下的硫化氢结构中达到了203K(约-70℃)的超导临界温度。2019年,Eremets团队再次在《自然》发文报告了镧—氢化物在170GPa、250K(约-23℃)的超导性,这也是此前高温超导体的最高临界温度纪录。

  Eremets表示,此次最新研究似乎提供了关于高温电导率令人信服的证据。但他指出,Dias小组还不能确定超导化合物的精确结构,他希望从实验中看到更多的“原始数据”。

  Dias等人表示很快就会着手解决这个问题,而且他们可能也会用其他元素来替代三组分混合物,希望能产生温度更高的超导体。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

打印 责任编辑:侯茜

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