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首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

本文作者: 付靜 2020-10-15 18:35
導(dǎo)語(yǔ):物理學(xué)家?guī)资昵暗念A(yù)測(cè)得以證實(shí)。

室溫超導(dǎo)之路,漫漫其修遠(yuǎn)兮。

近年來(lái),盡管已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」,但國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的超導(dǎo)科研者往往都持如上態(tài)度。

但如今,這種態(tài)度應(yīng)該要轉(zhuǎn)變了——美國(guó)科學(xué)家們創(chuàng)造了一種氫化物材料,它竟然能在 15°C 的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電!

在最新一期的《自然》雜志(Nature)封面上,也寫著一串激動(dòng)人心的英文單詞:Superconductivity finally reaches room temperature(室溫下也終于能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性了)。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

「室溫超導(dǎo)」有何意義?

首先回答一個(gè)問題:15°C 的溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,這意味著什么?

實(shí)際上,這是物理領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破!

上述所說(shuō)的超導(dǎo),是指超級(jí)導(dǎo)電——超導(dǎo)體或超導(dǎo)材料在某一溫度下電阻為零。但嚴(yán)格來(lái)講,只有同時(shí)具有上述零電阻效應(yīng)和完全抗磁性兩種特性的物質(zhì),才是科學(xué)意義上真正的超導(dǎo)體。

完全抗磁性通俗來(lái)講就是對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象,于 1933 年由 Walter Meissner 和 Robert Ochsenfeld 兩位物理學(xué)家對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn),這種現(xiàn)象在科學(xué)界有個(gè)專業(yè)的名字——邁斯納效應(yīng)(Meissner effect)。

究其歷史,科學(xué)家們最初發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體是在近一個(gè)世紀(jì)前。

1911 年,荷蘭物理學(xué)家??恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)等人利用液氦,將金和鉑冷卻到了 4.3K(-268.85 攝氏度)以下,發(fā)現(xiàn)鉑的電阻保持在一個(gè)常數(shù)水平。接著,他們將汞冷卻到 4.2K(-268.95 攝氏度)以下,發(fā)現(xiàn)其電阻幾乎為零,而這正是物質(zhì)的超導(dǎo)性。

1913 年,Heike Kamerlingh Onnes 又發(fā)現(xiàn):錫和鉛也和汞一樣具有超導(dǎo)性。

同年,為表彰其對(duì)低溫物質(zhì)特性的研究,Heike Kamerlingh Onnes 獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),后世也將他視為是低溫物理學(xué)的奠基人。 

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

根據(jù)上述描述可以看到,“超導(dǎo)”這個(gè)詞出現(xiàn)時(shí)往往伴隨的是一個(gè)特定溫度,而這個(gè)溫度一般都是很低的,比如:

  • 1973 年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的鈮鍺合金,其臨界超導(dǎo)溫度為 23.2K(-249.95 攝氏度);

  • 1986 年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種陶瓷性金屬氧化物具有高溫超導(dǎo)性,臨界溫度可達(dá) 35K(-238.15 攝氏度),由此獲得了 1987 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);

  • 1988 年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)汞系超導(dǎo)材料的臨界溫度達(dá) 135K(-138.15 攝氏度);高壓條件下其臨界溫度將能達(dá)到 164K(-109.15 攝氏度);

  • 2015 年,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫在極高壓下在 203K (-70.15 攝氏度)的溫度下會(huì)發(fā)生超導(dǎo)相變,這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是當(dāng)時(shí)已知最高溫度的超導(dǎo)體了。

在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中,一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)便是室溫超導(dǎo),能真正發(fā)現(xiàn)「室溫超導(dǎo)體」的科研團(tuán)隊(duì)可以說(shuō)是諾獎(jiǎng)級(jí)別的人物了。

據(jù)知乎答主“中國(guó)科普博覽”所說(shuō),近年來(lái)已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」,但實(shí)際情況都是證據(jù)不足甚至是造假——這些研究中聲稱發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體被科學(xué)界稱為「可疑超導(dǎo)體」(Unidentifided Superconducting Objects)。

可見,能在 15°C 的溫度下發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,絕對(duì)是一大里程碑事件。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體

來(lái)具體看看人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)室溫超導(dǎo)體。

這一登上 Nature 封面的成果,來(lái)自于羅徹斯特大學(xué)(工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系、羅徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校(化學(xué)與生物化學(xué)系、物理與天文學(xué)系)兩所美國(guó)名校與英特爾公司。

2020 年 10 月 14 日,論文正式發(fā)表于 Nature,題為 Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride(碳-硫-氫化合物的室溫超導(dǎo)性)。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

物理學(xué)界的傳承

早在 2015 年 8 月 17 日,一篇重磅論文發(fā)表于 Nature。論文顯示,高壓下,氫和硫的化合物在 ?70℃ 時(shí)出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

3 年后,又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn),氫和鑭的化合物在 ?13℃ 時(shí)具有超導(dǎo)性。

可以說(shuō)美國(guó)科學(xué)們此次的研究是這兩大成果的一種「?jìng)鞒小埂衔锟稍诟哌_(dá) 287.7 ± 1.2K(約 15 攝氏度)的溫度下作為超導(dǎo)體運(yùn)行,而這種化合物正是由氫、碳和硫組成。

據(jù)了解,這也是超導(dǎo)性首次出現(xiàn)在由三種元素組成的化合物中。對(duì)此,論文合著者之一、拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)物理學(xué)家 Ashkan Salamat 表示:

加入第三種元素,極大地拓展了未來(lái)尋找新型超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)的思路。我們開辟了一個(gè)全新的探索領(lǐng)域。

不僅如此,這項(xiàng)研究還證實(shí)了康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家 Neil Ashcroft 幾十年前的預(yù)測(cè):富氫材料可能會(huì)在比我們想象得高得多的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

研究成本不菲

實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)用到了金剛石砧,金剛石砧由一對(duì)金剛石對(duì)頂砧和密封墊組成,二者之間可以產(chǎn)生約為幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓那么大的壓力。

如下圖所示,兩顆尖對(duì)尖的鉆石正是實(shí)驗(yàn)工具。

值得一提的是,研究并不總是一帆風(fēng)順的——該團(tuán)隊(duì)總共用廢了數(shù)十對(duì)價(jià)值 3000 美元的鉆石。

正如團(tuán)隊(duì)所說(shuō):

鉆石的預(yù)算是我們研究過(guò)程中最大的問題。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

上述突破性發(fā)現(xiàn)的得來(lái)過(guò)程大致是:

  1. 將碳、氫和硫的混合物放入金剛石砧中。

  2. 用激光觸發(fā)混合物的化學(xué)反應(yīng),觀察晶體的形成。

  3. 降低溫度,發(fā)現(xiàn)通過(guò)材料的電流電阻降至零,表明該樣品已經(jīng)具有超導(dǎo)性。

  4. 增加壓強(qiáng),發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度越來(lái)越高。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體登上 Nature 封面!15°C 刷新紀(jì)錄,超高壓下展現(xiàn)超導(dǎo)特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終表明,在達(dá)到 267 萬(wàn)個(gè)大氣壓(海平面大氣壓的 260 萬(wàn)倍)時(shí),化合物在 15°C 時(shí)的電阻為零。

對(duì)于這一溫度,劍橋大學(xué)材料科學(xué)家 Chris Pickard 表示,15°C 應(yīng)該是一個(gè)較低的房間溫度,也許是維多利亞時(shí)代的一間小屋。

Chris Pickard 肯定了這項(xiàng)研究:

人們永遠(yuǎn)都在談?wù)撌覝爻瑢?dǎo),但他們可能并不十分了解,首個(gè)室溫超導(dǎo)體是在如此之高的壓力下發(fā)現(xiàn)的。

神秘的化合物

雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理領(lǐng)域的一個(gè)重要突破,但研究團(tuán)隊(duì)也認(rèn)為,關(guān)于這種物質(zhì)還有很多未知之謎。而在 Nature 對(duì)其研究的大篇幅報(bào)道中,也將這種化合物稱為 Mysterious material(神秘物質(zhì))。

研究人員表示:

還有很多事情要做,甚至這種晶體的確切結(jié)構(gòu)和化學(xué)式也尚不清楚。而給的壓力越大,樣本量將越小,這就是我們的測(cè)量過(guò)程真正具有挑戰(zhàn)性的原因。未來(lái)希望制造出無(wú)需高壓且穩(wěn)定的超導(dǎo)體。

對(duì)于這一成就,2015 年那篇論文的合著者之一、來(lái)自德國(guó)馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的物理學(xué)家 Mikhail Eremets 也表示:

這項(xiàng)研究提供了關(guān)于室溫超導(dǎo)的令人信服的證據(jù),但我還是希望能看到更多的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

磁懸浮列車、核磁共振、超導(dǎo)電纜、汽車馬達(dá)、量子計(jì)算芯片......成就了一大批理論物理學(xué)家甚至諾獎(jiǎng)得主的超導(dǎo)體在現(xiàn)實(shí)中已有了眾多應(yīng)用場(chǎng)景,但在實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)展卻依舊極其緩慢?;蛟S,這項(xiàng)室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將為物理學(xué)界帶來(lái)新變革。

引用來(lái)源:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

https://www.zhihu.com/question/22636832

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