人类首次实现室温超导!但它有个附加条件

图片来源:Adam Fenster / University of Rochester

超导体是一种比常规导体更为优越的无

损耗导电材料。现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作,这大大限制了它们的大规模应用。因此,找到一种室温超导材料,是物理学家长久以来的梦想。而今,我们迎来了人类探索超导之路上的里程碑事件。据最新一期《自然》的封面文章,美国罗切斯特大学的科学家们在260万个大气压下,成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料,这是人类首次实现室温超导。

撰文丨樊亦非 杨心舟

让电阻消失

其实,现在距离首次发现超导现象足足有100多年了。早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯就已经发现,当温度降低至4.2K时,浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。

但直到1957年,才有了第一个真正能描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁、里昂·库伯和约翰·施里佛基于“波粒二象性”建立。他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中,电子会被束缚形成“库伯对”,从而产生集体凝聚的波,这种波不同于自由电子,可以无阻碍地穿越晶格点阵。

“库伯对”就仿佛是电子在互相一起舞蹈,但这种和谐的情况会随着温度的升高而逐渐消失。而如何让“库伯对”在温度很高的情况下也能稳定存在呢?尼尔·阿什克罗夫特在1968年给出了答案,氢原子或许能成为超导体运作中的有力助手。氢原子体积很小,能使得电子在晶格点阵中距离得更近,而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快,使“库伯对”更紧密。

但是只单纯用氢,需要1000万个大气压才能实现超导体目标,如果添加另一种元素,让氢嵌入其中,就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后大家对氢化合物的大量测试,包括CaH6、H2S、H3S已经被相继发现能在“高温”条件下实现超导性。

2019年,人类与室温超导更进一步。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁的研究组宣布,十氢化镧在190万个大气压下,可以在逼近室温的260K以上出现超导性,这是曾经超导临界温度的最高纪录。

罗切斯特大学的兰加·迪亚斯与索马亚祖鲁一样,也一直在寻找最合适的氢化合物。而距离索马亚祖鲁的研究仅一年,迪亚斯就用一种含碳的硫化氢刷新了超导体临界温度的记录。他的团队在一种用于在极高压下检测微量材料的研究装置——金刚石对顶砧中,将氢、碳和硫结合在一起,以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统,它的最大临界温度为287.7±1.2K,此时的压力是267±10千兆帕,约为海平面大气压的260万倍。

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