首個(gè)室溫超導(dǎo)體問(wèn)世，為了發(fā)現(xiàn)它，科學(xué)家用廢了幾十顆鉆石 | Nature封面

曉查 2020-10-15 13:11:27 來(lái)源：量子位

邊策 金磊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

一項(xiàng)新紀(jì)錄，今天轟動(dòng)整個(gè)物理界。

在15℃溫度下，竟然也能觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象！

這就是來(lái)自羅切斯特大學(xué)的最新研究，他們?cè)O(shè)計(jì)出了一種新型氫化物，可以在這般「高溫」下，無(wú)任何電阻地導(dǎo)電。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種由氫-硫-碳組成的材料，在巨大的壓力（大約是地球核心的75%）下，室溫時(shí)就能轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。

這也是人類發(fā)現(xiàn)的第一種室溫超導(dǎo)體。

今天，Nature也以封面的形式對(duì)其報(bào)道，意義之重，可見(jiàn)一斑。

西班牙巴斯克大學(xué)凝聚態(tài)物質(zhì)理論家 Ion Errea認(rèn)為：

這是第一次真正聲稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

劍橋大學(xué)的材料科學(xué)家Chris Pickard評(píng)價(jià)道：

這顯然是一個(gè)里程碑。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體

來(lái)自羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家將兩種氫化物混合在一起，然后在超高壓下讓整個(gè)混合物重新組合。

他們選擇了硫化氫（一種臭雞蛋氣味氣體）和甲烷（天然氣主要成分），將這兩種物質(zhì)與鉑電極一起放在金剛石砧中。

金剛石砧是兩個(gè)“尖對(duì)尖”金剛石，在二者之間可以產(chǎn)生巨大的壓力，可以達(dá)到幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓。

當(dāng)壓力超過(guò)4萬(wàn)個(gè)大氣壓時(shí)，研究人員用綠色激光照射數(shù)小時(shí)，破壞硫-硫鍵，從而形成硫-氫化合物。

在175萬(wàn)個(gè)大氣壓下，樣品冷卻至-93°C就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。如果繼續(xù)增加壓力，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度會(huì)不斷提高。

當(dāng)?shù)竭_(dá)到267萬(wàn)個(gè)大氣壓時(shí)，只需把樣品降低至15°C，就能看到電阻消失。

除了電阻為零外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另一些超導(dǎo)的證據(jù)，比如在轉(zhuǎn)變溫度下，這種物質(zhì)屏蔽了磁場(chǎng)，這是超導(dǎo)體一項(xiàng)重要特征。

為了尋找這種室溫超導(dǎo)化合物，他們用廢了幾十對(duì)金剛石砧，每一對(duì)的價(jià)格3000美元。論文通訊作者Ranga Dias說(shuō)：“我們研究的最大問(wèn)題就是金剛石預(yù)算?！?/p>

金剛石砧產(chǎn)生的超導(dǎo)材料數(shù)量極少，大約是單個(gè)噴墨顆粒的大小。而且這種超導(dǎo)材料不夠穩(wěn)定，只要放置過(guò)夜就會(huì)分解。

超高壓條件以及不穩(wěn)定的性質(zhì)，意味著這種室溫超導(dǎo)體難以有實(shí)際性質(zhì)，但這卻是人類發(fā)現(xiàn)的第一種室溫超導(dǎo)體，探索超導(dǎo)體100多年的道路上具有里程碑意義。

應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)體

超導(dǎo)體（superconductor），是指在低于某一溫度時(shí)，電阻為零的導(dǎo)體。

超導(dǎo)現(xiàn)象是在100多年前，由荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)。他把汞降低到4.2K（約零下269度）時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻突然消失，因此獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

除了「零電阻」外，它還具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特點(diǎn)。

完全抗磁性，又稱邁斯納效應(yīng)，能讓超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，及超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場(chǎng)。這種特性最大的用途是用來(lái)做磁懸浮。

磁通量量子化，又叫做約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對(duì)可以穿過(guò)絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象。

超導(dǎo)體中的磁通量量子化可以用來(lái)制造超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

除了這些高大上的設(shè)備，我們的日常生活也離不開(kāi)超導(dǎo)體，比如醫(yī)院里的核磁共振成像，還有手機(jī)信號(hào)基站也需要超導(dǎo)體來(lái)制造濾波器。

然而，超導(dǎo)體的低溫限制，成了它的阻礙它應(yīng)用的最大局限。

直到1987年，美籍華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了液氮（77K）溫區(qū)的“高溫超導(dǎo)體”釔鋇銅氧，才讓超導(dǎo)體應(yīng)用更加廣泛。

但科學(xué)家們希望能夠找到一種無(wú)需冷卻，在室溫下即可使用的超導(dǎo)體。

這也正是此次發(fā)現(xiàn)能夠引起如此反響的原因——是科學(xué)家們苦苦探尋了幾十年的一種超導(dǎo)體，提高溫度意味著不需要復(fù)雜的冷卻設(shè)備。

要知道，此次的研究要比去年的最新進(jìn)展足足高出了30多攝氏度。

除了高溫這個(gè)局限性外，還有就是高壓。

超導(dǎo)體只能在極高的壓力下存活，相當(dāng)于接近地球中心的壓力，相當(dāng)于馬里亞納海溝壓力的40倍。

因此，也正如研究作者所說(shuō)，這意味著它不會(huì)有任何直接的實(shí)際應(yīng)用。

盡管如此，物理學(xué)家們?nèi)匀幌Ｍ?，這個(gè)超導(dǎo)體能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)在較低壓力下工作的零電阻材料鋪平道路。

5年追夢(mèng)成真

5年前的德國(guó)物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)為找到室溫超導(dǎo)體敲開(kāi)了大門。

要知道為何氫-硫-碳會(huì)成為室溫超導(dǎo)體，我們先介紹一下超導(dǎo)的原理。

在正常狀態(tài)下，電子以個(gè)體形式運(yùn)動(dòng)，碰撞到原子就會(huì)產(chǎn)生電阻。

而在超導(dǎo)體中，兩個(gè)電子會(huì)配對(duì)形成所謂“庫(kù)珀對(duì)”（Copper pair）。一旦電子結(jié)伴，它們就會(huì)以量子液體的形式無(wú)阻礙地通過(guò)導(dǎo)體，讓電阻徹底消失。

庫(kù)珀對(duì)的形成可以這樣通俗理解：

當(dāng)帶正電的原子被電子吸引后，就會(huì)聚集起來(lái)，這里正電荷多一點(diǎn)，自然會(huì)吸引別的電子過(guò)來(lái)，這兩個(gè)電子即完成配對(duì)。

顯然原子質(zhì)量越重，就越難被電子吸引，電子也就越難形成庫(kù)珀對(duì)，因此科學(xué)家把目光瞄向了最輕的原子——?dú)洹?/p>

但問(wèn)題是，常壓下固態(tài)氫中沒(méi)有自由電子。只有高壓改變固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)，讓氫釋放出電子，才有可能形成庫(kù)珀對(duì)。此時(shí)氫變成了一種金屬狀態(tài)——金屬氫。

△ 木星內(nèi)部可能存在金屬氫

1968年，康奈爾大學(xué)物理學(xué)家Neil Ashcroft預(yù)測(cè)，金屬氫在常溫下應(yīng)該是超導(dǎo)體。

然而，要讓金屬氫變成超導(dǎo)體需要的壓力實(shí)在太大了，以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件難以達(dá)到，倒是木星內(nèi)部有可能滿足這樣的條件。

△ 科學(xué)家用高壓制備出金屬氫

2017年，哈佛大學(xué)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制備出金屬氫，但壓力不足以讓其變成超導(dǎo)體。

Ashcroft將希望寄托在富含氫的化合物上，這類化合物獲取能在稍低的壓力下變成超導(dǎo)體。

但添加多少比例的氫是個(gè)技術(shù)活。如果添加太少，化合物就不會(huì)像金屬氫那樣超導(dǎo)。如果添加太多，那么化合物超導(dǎo)所需壓力太大，實(shí)驗(yàn)室里難以達(dá)到。

終于在2015年，德國(guó)科學(xué)家Eremets發(fā)現(xiàn)，一種氫和硫的化合物在-70℃時(shí)轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。

2018年，同樣是Eremets的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了冰箱溫度下的超導(dǎo)體氫化鑭，這種物質(zhì)在-23℃、170萬(wàn)個(gè)大氣壓下變成超導(dǎo)體。

作者、團(tuán)隊(duì)介紹

這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)，來(lái)自羅切斯特大學(xué)。

△Ranga Dias

Ranga Dias，是這次研究的通訊作者，本科就讀于科倫坡大學(xué)，攻讀的是物理和數(shù)學(xué)專業(yè)。

2007年， Dias搬到美國(guó)華盛頓，開(kāi)始了他的博士工作，領(lǐng)域聚焦在極端凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，專攻簡(jiǎn)單分子系統(tǒng)中的超導(dǎo)和絕緣體金屬過(guò)渡。

△Nathan Dasenbrock-Gammon

Nathan Dasenbrock-Gammon，本科就讀于在北肯塔基大學(xué)，目前是羅切斯特大學(xué)物理學(xué)專業(yè)的博士一年級(jí)學(xué)生。

△Ray McBride

Ray McBride，是羅切斯特大學(xué)的一名研究生，正在攻讀機(jī)械工程碩士學(xué)位。2018年，我獲得了SUNY Geneseo的物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，擔(dān)任過(guò)導(dǎo)師和實(shí)驗(yàn)室講師。

超導(dǎo)體若是能夠在日常生活中應(yīng)用起來(lái)，對(duì)人們的生活影響肯定是巨大的。

當(dāng)然，這條路是「道阻且長(zhǎng)」，雖然已經(jīng)翻過(guò)了一座大山，但還有諸多問(wèn)題待解決。

對(duì)此，作者也表示了他們研究的下一步：

制造無(wú)需高壓力、穩(wěn)定的高溫超導(dǎo)體。

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0
https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/