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高压出奇迹

发布时间:2019-05-25 20:39:09
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  超导性为我们描绘了这样一幅美好的绘景:超高效的电动机、超强力的磁铁和无损耗电力输送……然而实际情况却是超导材料的制造具有难度大、成本高等特点,它的超导性需要在持续不断的低温液氦浴中才能运行。因此,超导性在现实中的情况与它描述的绘景相差甚远。

  高温超导体的进展经历了一个漫长的停滞期,几十年来都没有出现过什么有力的新竞争者。但是一直以来,研究人员都在为了能更好地理解超导性而不断努力。现在,这些努力似乎即将得到回报。

  让我们先将时间退回到几年前,那时,研究人员发现了一种高压形式的硫化氢,它可以在 203K(零下 70°C)时展现出超导性,这一温度比以往的任何材料都要高出大约 65K。现在,根据计算机建模给出的提示,研究人员发现一种镧氢化合物(LaH10)的超导临界温度可以达到250K(大约零下 25°C),如果你有一个好的冰箱,就可以达到这一温度。

  那这是不是说,我们在家里就可以获得超导了吗?可惜并不是,LaH10的超导性强烈地依赖于压力,而且需要将样品在两个金刚石之间压缩。但有证据表明,我们对超导性的理解确实是正确的,因此毫无疑问的是,还有更多的化学物质值得我们研究。

  良好的振动

  虽然我们还没能完全地理解超导性,但我们已经对一些支撑它的物理原理发展出了坚实的理论理解。由材料产生的高频晶格振动是一个我们已经确定的关键因素。这些晶格振动部分取决于晶体的结构,部分取决于该结构中的原子。越轻的原子更容易振动,因此更容易实现超导性。

  这一特性激发了我们对硫化氢的探索——材料中的氢能导致超导所需的高频晶格振动。事实上,有迹象表明,超导所需要的高压会迫使硫从晶体结构中分离出来,从而产生一种氢含量更高的化学物质。

  类似的基于密度泛函理论的计算表明,高压可以产生以钇和镧等金属为中心的富氢化合物。氢原子会像一个笼子一样包围在这些金属周围。计算结果表明,这些化学物质可以在更高的温度下进行超导。

  早期一些研究测试了金属(钙和钇)在与平均 6 个氢原子复合后会出现的行为。但有迹象表明,氢的含量还可以更高。去年有报道称,科学家合成了一种氢含量很高的镧氢化合物——LaH10,发现了这一化合物的研究人员曾表示,这种超氢化物可以被看作是金属氢的近距离实现。进行了这一实验的研究人员确实看到了电阻在不同温度下的一些变化,但并没能对这些变化进行完整描述。因此,一个国际科学家团队决定完成这项工作。

  高压

  制造这种化学物质本身并不难,只要将镧金属置于氢气环境中,然后在金刚石砧之间对它进行挤压。在 270 千兆帕斯卡(约 200 万个大气压)的压力下,这些混合物会在金刚石砧之间形成一小块 LaH10。为了测试它的超导性,研究人员在每个金刚石砧上都放置了一根细微的金属丝,这样的话,镧氢化物就可以在它们之间传导电流。整个装置可以被降到非常低的温度。

  在一定的压力和温度下,研究人员发现化合物的电阻急剧地下降到零,也就是说它们开始变成了超导体。在实验中,可稳定观测到的最高温度是 250K,也就是零下 23°C。如果把冰柜的设置调到最高,冰柜可能也能达到这个温度,而且这是地球极地区域经常有的温度。它比干冰要暖和得多,也比液氮暖和得多。

  在压力为 170 千兆帕斯卡时,LaH10的超导临界温度到达峰值,进一步增加压力反而会导致临界温度的下降。这表明 LaH10的最佳超导性表现对结构非常敏感。

  对超导性的测量存在众多挑战,其中一个挑战是那些将电流汇入样本材料中的导线在这些温度下并不会发生超导,所以我们不能直接测量电流的电阻。因此,为了弄清是否真的发生了超导,研究人员可以对那些能影响超导产生的因素加以检验。超导体对磁场的存在非常敏感,当对 LaH10施加磁场时,它的临界温度就会下降。

  此外,我们之所以会研究这种化合物,首要原因就在于这种化合物中存在大量的非常轻的氢原子。研究人员将氢换成氘(氢的同位素,比氢多一个中子),使它们变得更重。结果发现,这样做也会降低临界温度。基于这些原因,研究人员就可以确切地得出结论说:在这些条件下,LaH10确实变成了超导状态。

  当然,在任何我们想要拥有超导体的地方都装上金刚石砧显然是不现实的。但研究结果却非常重要。

  首先,它们意味着我们至少对超导性的某些方面已有足够的了解,足以预测能显示出这种超导行为的化学物质。虽然由于计算的强度非常大,我们可能无法对这么多的化学物质进行盲选,但它们应该能让我们识别出那些具有前景的化学物质类别。

  另外,研究人员计算出 LaH10的超导结构,或许能使我们确定一些导致了超导行为的关键特征。虽然这种特殊的化学物质可能永远也无法成为一种实用的解决方案,但它却有可能帮助我们找到一些可能的解决方案。

  参考链接:

  https://arstechnica.com/science/2019/05/superconductivity-reported-at-the-temperature-of-a-good-freezer/

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1201-8

 

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