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室温超导材料的出现:研究人员称“将改变我们所知的世界”

北京时间10月17日,据国外媒体报道,美国罗彻斯特大学的工程师和物理学家利用氢气在极高的压力下压缩成简单的固体分子,首次在室温下创造出具有超导性的材料。这项研究由兰加迪亚斯,物理与机械工程助理教授的实验室完成,最近成为《自然》(自然)杂志的封面故事。

室温超导材料的出现:研究人员称“将改变我们所知的世界” 科学快报 第1张

超导体是指在特定温度下电阻为0的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。迪亚斯说,室温超导材料的发展是凝聚态物理的圣杯。研究者们寻找了一个多世纪,这些材料“绝对可以改变我们所知道的世界”。

为了创造新的记录,迪亚斯和他的研究小组在金刚石压机室内通过光化学合成将氢、碳和硫结合起来合成了一种简单的有机衍生物碳质硫氢化合物。金刚石压力室是一种研究设备,用于在极高的压力下检测非常小的材料。

碳质硫氢化合物在大约15摄氏度和大约2670 亿帕的压力下表现出超导性。这是人类第一次在室温下观察到超导性。迪亚斯说:“由于低温的限制,具有如此优异性能的材料并没有像许多人认为的那样完全改变世界。然而,我们的发现将打破这些障碍,并为许多潜在的应用提供可能性。”目前,他还参与了罗彻斯特大学的材料科学和高能密度物理项目。

据报道,这种室温超导材料的潜在应用包括:

(1)无电阻后,电网传输电能时可减少高达2亿兆瓦的能量;

(2)开发推广悬浮列车等交通工具形式的新途径;

(3)推动医学影像学、MRI等扫描技术以及心磁图学的发展;

(4)发展更快、更高效的电子数字逻辑和存储设备技术。

该发现的合著者、内华达,大学的阿什肯萨拉马特,拉斯维加斯,美国,说:“现在我们生活在一个半导体社会。有了这项技术,我们将进入超导社会,你将不再需要电池之类的东西。

金刚石压腔产生的超导材料量用“皮升”(简称pL)来衡量。一皮升是一升的万亿分之一,大约是一台打印机的一个喷墨滴的大小。

迪亚斯说,下一个挑战是找到一种在较低压力下制造室温超导材料的方法,从而节约成本,提高产量。与钻石压力室中产生的数千个亿帕压力相比,海平面上地球的大气压力只有101,325帕。

 为什么室温很重要?

超导体于1911年首次被发现,具有两个关键特征:一是电阻完全消失,二是完全抗磁性,也称迈斯纳效应。磁力线不能通过超导体,必须在超导材料周围传输,才有可能漂浮。这种现象可以应用于无摩擦高速列车,即磁悬浮列车。如今超导现象得到广泛应用,强大的超导电磁铁成为磁悬浮列车、磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)机、粒子加速器等先进技术的关键部件,包括早期的量子超级计算机。

但是这些装置中使用的超导材料只能在极低的温度下工作,比地球上任何自然温度都要低。这种限制使得维护它们的成本很高,并且很难将它们扩展到其他潜在的应用。“在低温下保存这些材料的成本太高,所以我们不能真正充分利用它们,”迪亚斯说。

在此之前,超导材料的最高温度是2019年在德国马克斯普朗克化学研究所的米哈伊埃雷米茨实验室。美国伊利诺伊大学的拉塞尔赫姆利研究小组报道了氢化镧在-23摄氏度左右的超导性。近年来,研究人员还探索了氧化铜和铁基化学物质作为高温超导体的潜力。但是,氢作为宇宙中最丰富的元素,也是一种很有前途的元素。

“要获得高温超导体,你需要更强的化学键和更轻的元素。这是两个非常基本的标准,”迪亚斯说。“氢是最轻的物质,氢键是最强的化学键之一。理论上,固体金属氢具有很高的德拜温度和很强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的。”

然而,只有将纯氢转化为金属状态才需要非常高的压力。2017年,哈佛大学教授艾萨克西尔维拉,与当时正在实验室做博士后研究的迪亚斯,合作,在实验室首次实现了这个目标。

“范式转变”

在罗彻斯特大学的实验室里,迪亚斯在研究方法上追求一种“范式转变”,即使用一种替代的富氢材料,既模拟纯氢的超导相,又能在较低压力下实现金属化。

首先,研究人员在实验室中混合了钇和氢。所得的氢化钇表现出超导性,当时的温度约为-11.1摄氏度,压力约为1790 亿帕

接下来,研究人员探索了共价富氢有机衍生材料。他们认为,通过添加第三种元素——碳,临界温度可以提高得更高,因为碳可以与相邻的原子形成强化学键。最后,这项工作的结果是一个简单的碳质硫氢化合物,它可以提高超导温度到15摄氏度。研究人员在报告中说:“碳的存在在这里同样重要。”他们还说,这种元素组合的进一步“成分调整”可能是实现高温超导的关键。

然而,一些研究人员认为,迪亚斯的实验条件非常极端,这意味着它远远没有实际应用。目前,迪亚斯和萨拉马特已经成立了一家名为“异常材料”的公司,希望找到一种可以在日常压力环境下大规模生产的室温超导材料。他们的论文发表后,相信全世界很多理论和实验团体都会加入到这个问题的研究中来。