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推进常温超导体

来源:环球科学

左:采用金刚石压砧方案研究LaH10在静态高压下的特性;右:Hemley和Eremets的小组观察到的笼状晶体结构。(图片来源:APS/Alan Stonebraker)

 

在1911年,超导性(无阻材料的导电能力)在临界温度(Tc)4.2K下的固体汞中首次被观察到。从那以后,无数科学家都在寻找一种临界温度超过常温的材料。在很长时间里,这神圣的圣杯似乎无法被触及——对1911年到1970年的研究进展的线性推断,表明临界温度将在2840年达到常温。铜氧化物的高温超导性的发现使临界温度提高到了液态氦之上。从1994年以来,其中的一种铜氧化物保持着最高的临界温度的记录(大气压下133K,高压下164K)。尽管此前进行了大量的实验,仍花了二十年时间在一个全新的超导体类别中打破这项记录:在2015年,在对硫化氢压缩到150Gpa时(40%的地心压强),产生了203K的临界温度。值得注意的是,两个独立的研究小组,第一个是由华盛顿特区乔治华盛顿大学(the George Washington University in Washington, DC)的Russell Hemley领导,第二个是由德国马克斯普朗克化学研究所(the Max Planck Institute for Chemistry)的Mikhail Eremets领导,已经报告表明了,在镧的氢化物压缩到170~185Gpa时,其超导临界温度在250—260K之间,这些结果预示着寻找常温超导体的进展顺利——报告中提及的这些材料已经可以在不需要冷却的情况下在北极冬天夜晚的平均温度下工作了!

在1968年,物理学家Neil Ashcroft根据Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)理论预测,金属氢应具有高温超导体的所有性质。不幸的是,在静态压缩实验中金属化氢是很困难的。Ashcroft进一步预测,某些富氢固体能在低于氢元素的压强下金属化,并且它们也将具有高温超导体的性质。这一假设促进了对压缩氢化物的超导性的研究,这些固体含有与其他元素结合的氢原子。

为了研究这些压缩材料的超导性,研究人员需要进行静态高压实验,其中这些材料要被金刚石压砧单元中挤压(图一,左图)。这些实验费用昂贵,技术上具有挑战性,而且很难进行研究。并且在高压强下稳定的物体相位可能与在我们所知的大气条件下的相位不相同。因此,基于量子力学的计算指导这些实验变得极其重要,尤其是精确定位那些有前途的化合物。

在过去10年里,这些理论和计算方法都集中在二元氢化物上。研究人员已经计算出一些含碱土金属或稀土金属的氢化物的临界温度值极高,一些甚至超过常温。例如,在2017年由Hemley和Yanming Ma领导的小组预测,在某些特定的稀土元素氢化物中,有着高氢-金属比例的氢化物将在金刚石压砧单元可达到的压强下变得稳定。这些富氢材料的晶体结构令人联想起被叫做络合物这一化合物的笼状结构。最有前途的氢化物之一,镧氢化物(LaH10),由一个具有正方形或六边形表面的多面体氢晶格组成(图1,右图),其中稀有金属原子位于每个多面体的中心。假设这个系统可以用BCS理论描述,研究人员预测升压至200GPa时,其临界温度在270和290k之间。

2018年初,Hemley的研究小组成功合成LaH10。现在,在金刚石压砧单位的极端压力下,Hemley和Eremets的小组宣告获得了LaH10的超导性实验特征。为了精确测定微米宽的LaH10样品的电阻,两个小组都需要确保样品和电极的可靠接触,并控制样品的成分与实验条件(例如,防止附加相移的形成)。Hemley的研究小组开发了一种新的人工合成技术,以氨氮硼烷(NH3BH3)为氢源,原相位生产LaH10。当样品在185Gpa的压强下冷却时,他们发现电阻大幅下降,这表明其临界温度在260K。第二轮实验则表明了,在200Gpa的压强下临界温度可能能高达280K。X射线衍射测量表明超导相是LaH10,排除了电阻下降是由于温度诱导结构变化的可能。

Eremet的小组用元素镧或三氢化镧和氢直接反应人工合成氢化物。通过观察电阻的大幅下降,他们得出临界温度是压强的函数。对LaH10而言,压强逐渐升高到170Gpa其对应临界温度也增长到250K。另一个未经识别的氢化物与同一样品中的LaH10共存,临界温度为215K。Eremets的团队还观察到了两个超导性的特征信号。首先,磁场的应用将降低临界温度,正如对BSC二型超导体的预期。第二,临界温度表现出了同位素效应,当氢被更重的氘代替时,临界温度将下降。

这些数据强烈暗示了超导性,但要证明它驱散疑惑的阴影,那么就有必要观察迈斯纳效应(Meissner effect)——即当一个材料成为超导材料时,会对磁场产生排斥。然而,测量这个效应是具有挑战性的:对于先前的最高临界温度的保持者,硫氢化物,在最初报告其有超导性的几年后才证明了其有迈斯纳效应。由于镧氢化物的样品明显小于硫氢化物样品,证明LaH10的迈斯纳效应需要大量的实验努力。

样品中包含的多晶体晶格还需要进一步的理论和实验工作来识别。这些数据强烈表明其中的一个结构是LaH10,但其他结构的身份仍然未知。这一信息对于理解晶体结构与超导性之间的关系,以及可能揭示出具有更高临界温度的新超导相位是至关重要的。LaH10的临界温度之高无疑会激励实验工作者去研究类似的化合物,比如说,预计氢化钇的临界温度将超过常温。

在超导领域里,大部分的突破都是出乎意料的,常常与当时的主流意识相悖。氢化物的出现表明,这种情况将不会继续:理论计算可用来合理设计高临界温度的BCS型新材料超导体。计算能力的进步可能将使我们找到其他更复杂的物质,这种物质与二元氢化物(如LaH10)不同,能在减压时保持稳定。新的晶体合成和表征技术将理论思想得到实验验证。多亏了理论与实验之间的反馈循环,不久我们可能会制造出新的超导体,这种超导体能在接近常温下工作并且比用金刚石压砧更容易制备,只需能将粉末压缩成药片的压力就足够了。

这份研究发表在《物理评论快报》上。


作者:Eva Zurek,美国纽约州立大学布法罗分校(University at Buffalo, SUNY, Buffalo NY, USA)化学系

翻译:王麟涛

审校:郝豪

引进来源:American Physical Society

引进链接https://physics.aps.org/articles/v12/1

本文来自:环球科学
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