超導材料取得重大突破,科學家實現室溫下超導

2020-10-16 16:30:28 2439 views
摘要

最近,物理學家在超導領域達成了一個重要的新里程碑,實現了第一次室溫下電流的無電阻流動,試驗溫度僅為15攝氏度。

最近,物理學家在超導領域達成了一個重要的新里程碑,實現了第一次室溫下電流的無電阻流動,試驗溫度僅為15攝氏度。要知道與之最近的記錄是零下23度實現超導,並意味著超導材料的應用前景向前邁了一大步。

研究人員,羅切斯特大學物理學家Ranga Dias興奮地表示:「由於低溫的限制,具有卓越性能的超導體並未像許多人想像的那樣完全改變了世界。但是,我們的發現將打破溫度的障礙,並為許多潛在的應用打開大門。」

超導電性於1911年首次發現,自那以後便成為物理學最為熱門的一個實現目標。在高中我們簡單地接觸過超導的概念,除了廣為人知的零電阻,超導材料還有一個重要性質——邁斯納效應,當一種材料從一般狀態相變至超導態時,會對磁場產生排斥現象,此時把超導材料放在磁鐵上,在一定限度內,超導體可以懸浮在磁體上方。

超導材料取得重大突破,科學家實現室溫下超導

這兩個性質在現實中都有著無限的應用前景,零電阻意味著電網不再有額外損耗,邁斯納效應可用於磁懸浮領域等等,但超導體的應用一直以來都有個大問題,那就是溫度。

超導材料通常僅在極低的溫度下產生和維持,遠低於自然界存在的溫度(超過零下100度),最起碼也要用液氮來維持。將材料保持在這樣的溫度下既困難又昂貴,一直影響超導材料的應用。

最近,物理學家發現在提高輕質元素的溫度可以維持超導態。而氫是自然界中最輕的元素,也是最常見的元素。但是氫作為氫氣時是絕緣體。為了使其超導,需要在巨大的壓力下對其進行金屬化。

Dias表示:「想要合成高溫超導體,就需要更牢固的鍵和更輕的元素。氫是最輕的材料的同時,氫鍵也是牢固的化學鍵之一,所以金屬氫是最理想的超導材料。」

超導材料取得重大突破,科學家實現室溫下超導

由於純金屬氫只能在極高的壓力下產生,因此很難達到正確的條件。近年來,有兩個團隊報告了創建它的成功。

2017年的研究表明,金屬氫的形成壓力介於465至495 GPa之間(1GPa等於10000個大氣壓),溫度為-267.65°C。2019年,物理學家再次把條件放寬,在425GPa,-193°C的條件下製成金屬氫。但是這點提升約等於沒有,要知道地球核心的壓力也只是在330至360GPa左右,使用純凈的金屬氫目前還無法實現。

因此,由羅切斯特大學的Elliot Snider嘗試將氫氣與釔混合以生成超氫化釔。這種材料在180GPa的壓力下在-11°C就表現出超導性。接下來,Snider和他的團隊嘗試將碳,硫和氫結合起來,生成碳質氫化硫。他們在金剛石砧中生成了一個很小的樣品,並測量了其超導性。他們發現它的壓力為270GPa,溫度為15°C。

超導材料取得重大突破,科學家實現室溫下超導

當然這個材料距離實用也還有非常遠的距離,首先是壓力依然很恐怖,難以大規模實現,其次是目前的樣本僅能生成微小的顆粒,介於25到35微米之間,超導材料依然有很長的路要走。

因此研究的下一步將是嘗試通過調整樣品的化學成分來降低所需的高壓。研究人員相信,室溫下,低壓的超導體最終將在我們的掌握之中。

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