陨石中竟藏着超导材料!室温超导有希望了? ​​​​

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陨石中竟藏着超导材料!室温超导有希望了? ​​​​
麻省理工科技评论 2018年3月13日

2018年3月13日

最近,来自加州大学圣地亚哥分校( UCSD )的凝聚态物理学家 Ivan Schuller 的研究团队发现,陨石中有时会含有天然的超导物质。
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最近,来自加州大学圣地亚哥分校( UCSD )的凝聚态物理学家 Ivan Schuller 的研究团队发现,陨石中有时会含有天然的超导物质。

最近,来自加州大学圣地亚哥分校( UCSD )的凝聚态物理学家 Ivan Schuller 的研究团队发现,陨石中有时会含有天然的超导物质。

这一发现虽然不会颠覆科学家对太阳系的认识,但为寻找到常温超导体增加了更多的可能性乐观的话,甚至可能带动如磁悬浮列车材料等某些技术的突破。目前,该发现已在洛杉矶举行的美国物理学会的3月会议上得以发布。对于该发现,正带领团队在陆地矿产资源中寻找天然超导体的马里兰大学凝聚态物理学家 Johnpierre Paglione 表示:“听上去他们好像找到了一些东西并将其分离出来,这太棒了。”

传统的超导体由简单的金属组成,如铌、铅或汞,这些金属在冷却到接近于绝对零度的特征“临界温度”(对于汞是4.2K)以下时就会具有超导特性。在1986年,物理学家在一系列含铜化合物中发现,铜化合物在高达134 K(-139°C)的温度下出现了超导现象,这一现象被称为高温超导,它的物理机制仍然是科学界中的一大谜团。而最近,研究人员又发现了一系列高温铁基超导体以及其他一些奇异的超导体。

不同于其他科学家尝试通过原子尺度上设计物质的特性来合成出一些新型超导体的做法,Schuller的研究团队另辟蹊径,尝试着从陨石出发,对现有材料进行筛选,来寻找出超导物质。Schuller 打趣的说到:“既然老天已经提供给了陨石这一材料,我们为什么不瞧瞧呢?“Schuller 表示,陨石是在地球上任何实验室都无法达到的极端温度和压力条件下形成的。因此,它们可谓是寻找新奇化合物的淘金池。

超导性最可靠的迹象是当温度降到临界阈值以下时,电阻突然下降到零。不过除此之外,超导体也有着特殊的磁性,即迈斯纳(Meissner)效应:当一个磁场强度不是很强磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时,磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流,此超导电流在超导体内部形成的磁场,恰好和磁体的外加磁场大小相等,方向相反,最终两个磁场抵消,使超导体内部的磁感应强度为零,即超导体排斥体内的磁场。

借助迈斯纳效应,科学家就可以寻找那些混合在异质物质(通常电阻不为零)中的零星超导体。不过,一般的探测迈斯纳效应的技术不够灵敏,不足以寻找极少量的超导体。因此,Schuller的团队进行了一些技术改进,从而有效地放大了信号。超导体在临界温度上下都会吸收微波,但在相变过程中其吸收效果会有所变化。

之前在会议上阐述研究发现的 UCSD 研究生James Wampler解释到,当冷却温度低于超导体的临界温度时,微波吸收效果会发生显著变化。为了寻找超导性物质,研究小组在微波辐射腔内放置了一个小样本,并同时加入了一个强恒定磁场和一个小的振荡磁场。当振荡磁场使得材料产生和去除超导性时,信号会大大增强。Wampler 表示,与传统的磁测量技术相比,这项技术大约将灵敏度提高了1000 倍。

Schuller 表示,研究者们已经在上千种样品上证实了此探测方法的有效性。现在,他们已经将其应用于探测 16 个不同陨石小样本(从陨石表面上刮取所得)。Wampler在会上表示,他们在其中两颗陨石的样品中发现了存在超导物质的证据,这两颗陨石分别是:1911年在澳大利亚内陆发现的9980公斤重的Mundrabilla铁陨石和1995年在南极洲发现的碳质陨石Graves Nunataks。

一旦研究人员发现了确定的磁信号,他们就梳理出每个粉末样品中的不同类型晶粒,并利用X射线光谱分析来鉴别出晶粒中的超导体。Wampler介绍到,Grave Nunataks陨石中的超导体是铟和锡的合金,Mundrabilla陨石中的超导体似乎是铟、锡的合金,可能还含有铅。它们都是著名的超导体,临界温度在5K左右。

尽管这些陨石中发现的超导体并不新奇,但该研究结果表明了超导性在宇宙中是普遍存在的。Wampler表示,如果超导材料存在于陨石上,那么我们可以说它无处不在。他指出,宇宙中有许多地方的温度比5K还要低,陨石产生的压力和温度超过地球上的实验室条件,因此陨石中很有可能含有人类所不知道的超导化合物。另外,Paglione也认为超导领域需要寻找新的材料。但大家似乎在寻找新材料的路上遇到了瓶颈。而这次的研究或许可以给我们指出明灯,从陨石出发,兴许能起到曲径通幽之效。

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