老胡说科学|科学家首次实现了室温超导——里程碑式的突破
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一种由氢、碳和硫组成的新型金属化合物 ， 在一对金刚石砧之间施加压力时 ， 在59华氏度下显示出了超导性 。
纽约的一组物理学家发现了一种能在室温下高效导电的材料 ， 这是一个长久以来寻求的科学里程碑 。 研究小组最近在《自然》杂志上报道 ， 这种氢、碳和硫化合物在59华氏度的温度下以超导体的形式工作 。 这比去年创下的高温超导记录还要高50多度 。
“这是我们第一次真正宣称已经发现了室温超导性 ， ”西班牙巴斯克地区大学的凝聚态理论学家埃雷亚说 。
材料科学家现在面临着发现超导体的挑战 ， 这种超导体不仅可以在正常温度下工作 ， 还可以在日常压力下工作 。 这种新化合物的某些特征为将来找到合适的原子混合物带来了希望 。
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当自由流动的电子撞击组成金属的原子时 ， 普通导线就会产生电阻 。 但是 ， 研究人员在1911年发现 ， 在低温下 ， 电子可以在金属的原子晶格中诱发振动 ， 而这些振动反过来又把电子拉到一起 ， 形成称为库珀的对偶 。 不同的量子规则支配着这些对偶 ， 它们成群结队地穿过金属晶格 ， 不受任何阻碍 ， 没有任何阻力 。 超导流体还会排斥磁场——这一效应可以让磁悬浮交通工具无摩擦地漂浮在超导轨道上 。
然而 ， 随着超导体温度的升高 ， 粒子会随机地晃动 ， 打破了电子微妙的平衡 。
研究人员花了几十年的时间寻找一种能承受日常环境高温的超导体 ， 这种超导体的库珀探戈紧密地结合在一起 。 1968年 ， 康奈尔大学的固体物理学家尼尔·阿什克罗夫特提出 ， 用氢原子的晶格就能达到这个目的 。 氢的微小尺寸使电子更接近晶格的节点 ， 增加了它们与振动的相互作用 。 氢的轻巧性还使那些引导的波纹更快地振动 ， 从而进一步增强了与库珀对的粘合力 。
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要把氢压成金属晶格需要非常高的压力 ， 这是不切实际的 。 然而 ， 阿什克罗夫特的研究带来了希望 ， 一些“氢化物”可能在更容易获得的压力下提供金属氢的超导性 。
这方面的进展始于21世纪初 ， 当时的超级计算机模拟让理论学家能够预测各种氢化物的性质 ， 而金刚石砧的广泛使用使实验家们可以挑选最有前途的“候选人”来测试超导性 。
突然 ， 氢化物开始创造纪录 。 2015年 ， 德国的一个研究小组发现 ， 在150万倍的大气压下 ， 一种金属形式的硫化氢能在零下94华氏度下超导 。 四年后 ， 该实验室使用氢化镧在180万大气压下达到零下10度 ， 而另一个小组在8度的温度下发现了该化合物存在超导性的证据 。
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在直觉和粗略计算的指导下 ， 研究小组测试了一系列氢化合物 ， 以寻找氢的黄金比率 。 添加的氢太少 ， 化合物就不能像金属氢那样具有坚固的超导性 。 如果添加太多 ， 样品就会像金属氢一样 ， 只有在高压下才会金属化 。 在他们的研究过程中 ， 该团队破坏了几十对价值3000美元的钻石 。 “钻石预算是我们研究的最大问题 。 ”迪亚斯说 。
研究人员从硫化氢开始 ， 加入甲烷(碳和氢的化合物) ， 然后用激光烘烤混合物 。 迪亚斯的合作者、内华达大学的凝聚态物理学家阿什坎·萨拉马特(说：“我们能够丰富这个系统 ， 并引入适量的氢 ， 使这些库珀对维持在非常高的温度下 。 ”
但他们制作的氢-碳-硫化合物的细节却让他们无从知晓 。 氢太小了 ， 无法在传统的晶格结构的探针中显示出来 ， 因此该小组不知道原子是如何排列的 ， 甚至不知道这种物质的确切化学公式 。
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