首個室溫超導體誕生

編譯 蔡立英

科學家創造了一種神秘的超導材料，似乎能在高達約15℃的溫度下實現零電阻導電。這創造了超導臨界溫度的最高紀錄，因為超導現象通常在非常低的溫度下才能實現。

科學家對這種新超導材料了解甚少，但它顯示了2015年發現的一類超導體的潛力。但是，這種超導體具有一種嚴重局限：只能在近乎地球中心壓力的極高壓力下存在，意味著它不會有任何實際應用。盡管如此，物理學家仍然希望，這個超導體能夠為較低壓力下工作的零電阻材料的開發鋪平道路。

從磁共振成像儀到手機信號基站，超導體有很多技術應用；而研究人員開始試驗在風力渦輪機的高性能發電機中應用超導體。但是，由于需要龐大的低溫設備，它們的用途仍然受到限制。普通超導體在大氣壓下工作，但前提是必須保持極低的溫度。即使是最尖端的銅氧化物陶瓷材料也只能在133K（-140℃）以下工作。在室溫下工作的超導體可能會產生重大的技術影響，例如，應用于運行速度更快而不會過熱的電子產品中。

德國美茵茲馬克斯·普朗克化學研究所的物理學家米哈伊爾·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）表示，10月14日發表在《自然》雜志上的這項最新研究成果似乎提供了令人信服的高溫導電性證據，盡管他說希望看到更多“原始數據”。他補充道，這項最新成果證明了他于2015年開始的一系列工作是正確的，當時他的團隊報告了第一個高壓高溫超導體——一種氫和硫的化合物，在高達-70℃的臨界溫度下電阻為零。

2018年，一種由氫和鑭組成的高壓化合物在-13℃下表現出超導電性。但是最新的研究成果說明：這種超導電性首次出現在由三種元素而非兩種元素組成的化合物中——新發現的超導材料由碳、硫和氫制成。研究論文的合著者、美國內華達大學拉斯維加斯分校的物理學家阿什坎·薩拉馬特（Ashkan Salamat）認為，添加第三種元素大大拓寬了未來尋找新超導體的實驗組合。他宣稱：“我們開辟了一個全新的探索領域。”

美國伊利諾伊州萊蒙特市阿貢國家實驗室的高壓材料科學家馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）指出，在高壓但不是極端高壓下的超導材料已經可以投入使用。他認為，這項研究表明，通過“明智選擇超導體中的第三和第四種元素”，原則上可以降低超導體工作的壓力條件。

這項工作也證實了紐約州伊薩卡市康奈爾大學的理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）幾十年前的預測，即富氫材料可以在比人們認為的高得多的溫度下實現超導。索馬亞祖魯說：“我認為，在高壓研究界之外，很少有人把他的預測當回事。”

美國紐約羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）與薩拉馬特以及其他合作者一起，將碳、氫和硫的混合物放入由一對金剛石對頂砧組成的金剛石砧中。然后，他們用激光觸發樣品發生化學反應，并觀察晶體的形成。他們降低實驗溫度，發現通過材料的電流電阻降為零，這表明該樣品已變得具有超導電性。他們增加壓力，發現超導轉變發生的溫度越來越高。他們的最佳實驗結果是在267吉帕斯卡（相當于海平面大氣壓的260萬倍）下，超導轉變溫度為287.7K（約15℃）。

研究人員還發現了一些證據，證明這種晶體在轉變溫度下屏蔽了磁場，這是超導電性的一項關鍵判據。但是，研究人員提醒說，這種新材料的許多特性仍然未知。埃雷梅茨說：“還有很多研究工作要做。”科學家甚至連這種晶體的確切結構和化學式都還不清楚。薩拉馬特說：“施加更高的壓力時，樣本量就會變小；這就是這類的測量真正具有挑戰性的原因。”

由氫和另一種元素制成的高壓超導體是眾所周知的。紐約州立大學布法羅分校的計算化學家伊娃·祖雷克（Eva Zurek）說，研究人員已經對碳、氫和硫的高壓混合物進行了計算機模擬。但是她說，這些研究無法解釋迪亞斯研究團隊看到的異常高的超導臨界溫度。她說：“我相信，這篇論文發表后，許多理論和實驗研究團隊都會‘圍攻’這個問題。”

資料來源Nature