人类逼近物理“圣杯”:-23℃超导!德国科学家再次突破高温超导记录

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人类逼近物理“圣杯”:-23℃超导!德国科学家再次突破高温超导记录
麻省理工科技评论 2018-12-19

2018-12-19

长期以来,制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是,最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用(往往冷却至- 250 ℃)。
物理 科学
长期以来,制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是,最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用(往往冷却至- 250 ℃)。

该突破由德国马普化学研究所的 Mikhail Eremets 与其同事带来,他们在 250K ( -23℃ )温度下实现了 LaH10 (氢化镧 )的超导性。这项成果使我们真正意义上接近了室温超导。

      

图丨 Mikhail Eremets (来源:Max-Planck-Institut für ChemieCarsten Costard)




人类苦苦追寻的一座“圣杯”


众所周知,超导性是一种奇怪的零电阻现象,是指导电材料在温度接近绝对零度的时候,物体分子热运动下材料的电阻趋近于 0 的性质。超导已有了一些重要的实际应用,如用于医院里的核磁共振成像、高能加速器、磁约束核聚变装置等,但长期以来,制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是,最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用(往往冷却至- 250 ℃)。

而研究者们苦苦追寻的“圣杯”则是能够在 0℃左右出现超导性的材料,也就是室温超导性材料。如果这种材料一旦被发现,就会带来一系列的新技术,包括超高速计算机和数据传输。

      

(来源:麻省理工科技评论)

室温超导研究一直是物理领域的热门话题,同时也是一大难题。

目前,超导研究的两大方向包括发现新的超导材料,以及在原理上阐明超导现象。其中,在提高超导临界温度的过程中,我们曾经在 1911~1986 年年间有一定的进展,但是此后便难以再进一步提到温度。这时候,这个数字是 23.2 K。

而在原理探索上,John Bardeen,Leon Neil Cooper 和 John Robert Schrieffer 3 位美国科学家于1957 年提出的 BCS 超导理论填补了很大一块空白,三人也于 1972 年共同获得诺贝尔物理学奖。基于这一理论,科学家 McMillan (麦克米兰) 提出,超导转变温度可能存在上限,一般认为不会超过 40 K。这就是历史上著名的麦克米兰极限。

此后,很多科学家开始尝试打破麦克米兰极限,寻求超导温度超过 40 K 的“高温超导体”。

突破出现 1986 年初,两名欧洲科学家发现了铜氧化物超导体。由于它的 Tc 很高,可以超过麦克米兰极限数倍,因此被称为高温超导体。但只是超过 40k(- 233℃),离真正意义上的室温,还有一段距离。

在今天中国科学院物理所也在对铜氧化物超导体的研究中作出了重大贡献,科学家们独立发现了液氮温区铜氧化物超导体,并且首次在国际上公布其元素组成为Ba–Y–Cu–O。在中科院今天发表的《四十年,40项——中国科学院改革开放四十年40项标志性重大科技成果》中,高温超导位居榜首。

当然,新的高温超导理论仍需谨慎对待。但话虽如此,现今有关高温超导记录被打破的消息,还是值得我们更详细地研究。



他两度创造了室温超导的新纪录


在此次研究的成果中,埃雷米茨和他的同事们称,他们已经观察到氢化镧 (LaH10) 在 250 开尔文(-23 ℃)这种相对闷热温度下的超导作用。

这一温度要比现在北极的温度暖和的多。团队表示:“我们的研究在向室温超导的道路上迈出了一大步”。需要注意的是,研究样本必须在巨压之下才会出现超导作用,即 170 吉帕,大约是地心压力的一半)。

      

(单位:GPa)

埃雷米茨在这一领域有着相当傲人的研究史。早在 2014 年,他就打破了高温超导性的记录。那个时候,他的团队就能够在-80℃,比其他材料测试高出 10℃的条件下,测量硫化氢的超导活动。

随后,他又将这一记录提高至 -70 ℃,并于 2015 年 8 月把这一成果发表在 Nature 杂志上,研究人员发现,当他们将硫化氢样品置于极高的压力下——约 150 万个大气压,并冷却至 -70 ℃以下,这些硫化氢样品便会显示出超导电性的经典标志:零电阻和迈斯纳效应。

这在超导研究领域激起了一波浪潮。美国华盛顿哥伦比亚特区海军研究实验室 Igor Mazin 更是将这项关于硫化氢的发现描述为“超导体的圣杯”。

但对物理学家来说,真正令人瞠目结舌的是超导材料的性质。

用传统超导体来解释超导性很好理解在,传统超导体中,超导这一特性很好理解:正离子的刚性晶格是徜徉在电子的海洋中的正离子的刚性晶格。当电子通过在晶格运动中的运动时,电子与晶格受碰撞而减慢速度时,就会产生电阻。而当晶格冷却到一定程度时,就会产生超导现象,此时晶格刚性足够强变得足够坚硬,足以让机械声波(或声子)以行波通过。这些波动在通过扩散时使晶格变形。而电子可以在这种变形上无障碍的“冲浪”,形成超导电流。

事实上,在低温状态下,电子彼此结合形成所谓的库珀对。正是这些库珀对在晶格中的“冲浪”,形成构成了超导特性。

随着温度上升,库珀对断裂,超导现象性停止。这种变化发生的温度被称之为在所谓的“临界温度”。

在 2014 年之前,这种传统的超导现象性的临界温度最高是大约 40k 或 -230 ℃。事实上,当时很多物理学家认为,在更高的温度下,这种超导性是不可能存在的。

这就是为什么埃雷米茨的发现如此特别,因为硫化氢是一种传统超导体,许多人认为在更高温度下发挥其超导性是不可能的。

埃雷米茨引发了一场狂热的理论讨论,来解释超导现象是如何发生的。最终达成的共识就是,在硫化氢中,当温度降至临界水平以下时,氢离子形成一个输送库珀对的零电阻晶格。

这是可以在高温情况下发生的,因为氢很轻。这就意味着晶格可以在高温下高速振动。但晶格也必须牢牢地固定在原地,以防止振动将其撕裂。这就是超导性只在高压下起作用的原因。

从那时起,已经有相当多的理论和计算工作来预测其他材料能否在高温下以同样的方式产生超导性。其中一个很有可能的材料,就是埃雷米茨和他的同事一直在研究的氢化镧。



不久的将来,高压下室温超导可期


这一发现不仅是埃雷米茨和其团队的胜利,也是预测它的理论方法的胜利。埃雷米茨和他的同事说:“这次进步比之前的 203 k 记录高出约 50 k,表明在不久的将来,在高压下实现室温超导 (即 273 k) 具有真正可能性。”

然而,还有一些工作需要完成。业内的物理学家需要三个独立的证据才能确信超导确实发生了。首先是温度下降时电阻的特性下降。埃雷米茨已经证明了这一点。

第二个证据是可以用更重的同位素替换样品中的元素。这使得晶格以不同的速率振动,并相应地改变临界温度。埃雷米茨和他的同事也有这方面的证据,他们用氘取代了样品中的氢,发现临界温度正如预期的那样,降到了 168k。

第三条证据被称为迈斯纳效应:超导体应该排除任何磁场。埃雷米茨和他的同事一直在这一点上苦苦挣扎。尽管他们确实有一些其他的磁性证据,但是他们的样本非常小——只有几微米宽,而且位于高压钻石铁砧内——研究人员还不能直接测量。

如果没有这最后一个特征,物理学家们可能并不会完全接受这一成果。但他们的团队正在为第三个证据的获取不断努力。

与此同时,这项研究也开辟了其他一些显而易见的途径。计算模型表明,钇超氢化物可以在 300k 以上的室温下超导 (尽管所需压强只有在地心处比较常见)。

因此,出现一种或其他种类的室温超导体可能并不遥远。到了那个时候,我们的问题将是如何最好地利用它们。

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