自1911年Onnes在4.2K的低温下发现汞的超导电性,一直以来,高温乃至室温超导都是理论和实验物理领域的挑战。

  近些年,高压下富氢材料的高温超导电性被多次报道,也曾有中国科学家预言,H2S可能在高压下转变为高温超导体。

  就在北京时间2020年10月14日晚,Elliot Snider,Nathan Dasenbrock-Gammon等人刊登在《自然》的研究让超导转变温度突破了273K(约0℃)这个节点,实现了287K(约15℃)室温的含碳硫氢化合物超导。不出意料,该研究一举登上了《自然》封面。

图| Nature 杂志封面

  此前的一项研究表明,高压下H2S转变为H3S可实现高温超导,该反应发生的温度在203K,压强需达到200GPa。H2S和CH4会在相对较低的压强下混合形成复合结构,该复合结构是寻找高温超导体,甚至室温超导体的关键。

  该研究团队通过光化学方法,利用C-S-H体系,在267GPa的高压下,制备出了最高超导转变温度可达287.7K(约15摄氏度)的室温超导体。

  并且,在利用金刚石对顶砧得到的140GPa到275GPa之间广泛的压强区间内,都能在相应的温度上观测到超导态,其中当压强高于220GPa时,超导转变温度会随压强升高显著提升,甚至可以达到287K(约15摄氏度)。当压强高于220GPa时,超导转变温度会随压强升高显著提升,甚至可以达到287K(约15℃)。

随压强提高,超导转变温度上升

当压强高于220GPa时,超导转变温度会随压强升高显著提升

  中国科学院物理研究所副研究员罗会仟表示,这项研究有3个难点:

  一个是如何在高压极端条件下让反应可控地发生,并制备出所需的材料结构,要知道在这样的极端条件下仅仅是把所需的反应物放入就不是一件容易的事。

  第二个难点是如何达到反应所需的温度且不破坏金刚石对顶砧,这里激光加热扮演了重要的角色。要知道,在极端高压下测量的数据质量往往很差,如何在267GPa下准确、可信地测量出样品的零电阻和抗磁性等性质是第三个难点。

  此外,除了H和S外,该团队引入了C元素,第三个元素的引入也给实验前的计算模拟增加了难度。

  据报道,该团队在190GPa下通过对零电阻现象和抗磁性的测定,确认了该材料的超导电性,并发现超导转变温度在外磁场下出现下降的现象,这是人类第一次在室温(15摄氏度)下观察到具有超导特性的材料。根据金兹堡-朗道模型的拟合推算,该材料的临界磁场可达62T。

  由于这类材料主要由较轻的氢元素组成,用X射线探测它的结构是十分困难的,但可用拉曼光谱来测量它的化学成分。

不同压强下磁化率随温度变化,完全抗磁性是超导材料的特征之一

  外磁场下超导转变温度下降

  罗会仟表示,在高温超导领域富氢材料已经具有丰富的研究基础。

  2015年德国的研究团队就在约220万个大气压下把超导临界温度提升到了203K。

  2019年美国的研究团队进一步在260K实现了超导电性。

  本次登载在《自然》封面的研究在研究思路上并没有太大突破,但这项研究却是自人类发现超导现象后,百年来把超导临界温度提升到最接近室温的一次,算是圆了人类的“百年室温超导梦”。

  然而,这次研究人员创造出的常温超导材料,距离应用还十分遥远,该材料需在267GPa的高压下才能在约15摄氏度的室温下显现出超导电性,这个压强是标准大气压的200多万倍,接近地心的压强。

  论文通讯作者、罗彻斯特大学物理和机械工程助理教授 Ranga Dias 表示:“下一个挑战是找到在较低压力下制造常温超导材料的方法,这样就可以在更大的产量上节省成本。”该团队认为,通过一些化学手段对C-S-H系统进行调控,或有助于降低所需的压强。

  但是现有的关于高压富氢材料超导的理论模型并不能对如此高的超导转变温度做出解释,关于室温超导依然有许多谜题有待解开。


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