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Nature:近常压室温条件下氮掺杂氢化物表现出超导性
2023-03-27 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

某些材料或物质在特定条件下能够达到没有电阻或几乎零电阻的状态(超导态),称这些材料或物质具有超导性,处于超导态的导体称为超导体,超导性是某些材料或物质特有的物理属性。超导体具有三个基本特性:超级导电性、抗磁性和通量量子化特性。超级导电性,由于超导体没有电阻,当电流流经时,既不会出现压降,也不会产热,因此电流可以无衰减地在超导体中流动。抗磁性是指部分超导体内部完全无磁场(第I类超导体),表现出完全抗磁效应,也有部分超导体允许极少部分磁场进入(第II类超导体),在内部形成磁通量子(图1)。通量量子化又称约瑟夫森效应,指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时,电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。 

 

1超导体主要特性及分类(来源:罗会仟.《超导“小时代”》) 

基于这些特殊属性,超导体已被广泛应用于高效率电能传输、大电流强磁场激发、高灵敏度弱磁测量等领域。例如,医院利用超导体产生的大电流通过螺线管线圈,为核磁共振检测提供强磁场。磁测领域利用两个不同超导体构成约瑟夫森结,制成的超导量子干涉仪(SQUID),是目前最精确的磁场测量装置。然而,当前超导体的形成依赖特殊的低温、高压条件,为了进一步扩展超导体的应用领域,国内外学者潜心研究多年,不断深化,力争突破超导体的形成条件限制。目前,超导体的形成主要通过降温来实现,当温度降低到一定值时,特殊材料导体的电阻会突然消失从而形成超导体。我们把电阻突变为零时对应的温度称为超导临界温度(Tc)。很显然,一旦能在室温下实现超导,超导体的应用将迎来革命性、颠覆性的变化。 

1908年,荷兰莱顿大学的Onnes(荷兰)首次实现氦的液化,获得了4.2K-268.8)的低温,1911年,他将金属汞冷却到4.2K时,发现了超导现象。此后经过70多年的努力,超导体的一般临界温度只能提高到23K左右。直到1986年初,物理学家Mueller(德国)和Bednorz(瑞士)发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4,其临界温度高达40K19872月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继将钇系材料(YBa2Cu3O7)的超导临界温度提高到90K以上,奇迹般地突破了液氮禁区(77K)。1987年底,Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料的临界超导温度记录提高到125K。以上成果均是在高压环境下实现了超导临界温度的提升,因此,施加高压是提高超导临界温度的重要途径,也是探索室温超导的最佳方案之一。截止目前,常压下超导的临界温度记录是134K,于1993年在Hg-Ba-Ca-Cu-O体系材料中获得,其高压临界温度可达165K。以上研究成果中,超导体的形成条件相比“常压、室温”仍存在着巨大的差距(图2)。 

2已知超导体临界温度(来源:wiki

理论上预言,金属氢具有较高的德拜温度和较强的电子-声子耦合特性,是室温超导的必需条件,但金属氢材料需要在百万级大气压(100GPa以上)的极端高压合成。由于氢本身十分活泼、易燃易爆,在如此高压下会产生氢脆现象,即使是世界上最坚硬的金刚石夹具,在氢脆时也会破裂。因此,金属氢的高压实验一直是巨大的挑战,历经多年余年仍未能攻克。同时科学家们也意识到,在氢化物的内部,由于元素间化学键的存在会产生足够大的化学压力,如果此压力刚好与外部压力达到同等效果,就不需要如此高的外部压力了。 

 

3室温超导最新研究成果(来源:Dasenbrock-Gammon et al., 2023

近日美国罗彻斯特大学的Dias团队,宣称他们发现由氢、氮、镥三种元素组成的三元相,在近常压的室温条件下表现出超导性。文中表明这种神奇材料由--三种元素构成,给出了可能的材料结构,但并没有介绍具体的制备方法。意味着合成材料仍然存在一定的挑战性,特别是氮元素的加入使得该材料与传统的稀土氢化物截然不同。文中指出,此材料的超导临界温度达到21℃294K),虽然与我们默认的室温”300K(约27℃)尚有差距,但基本处于室温水平。更重要的是,其所需的外界压力非常小,被称为近常压。为了证明氮掺杂氢化物室温超导性的存在,Dias研究团队分别从样品的电输运、磁化率及比热测量的角度开展了试验研究。 

目前该成果在国际上引发轩然大波,学术界几乎都持谨慎观望甚至深表怀疑的态度。有人对其实验数据提出了质疑,认为原始数据根本不支持判定样品实现了超导性。论文中电阻原始数据是依靠不合理地剔除了所谓“220K以下环境背景因素”,才得到的“超导相变”,直流磁化率和交流磁化率数据,同样扣除了一个奇怪的背景,且此背景在相同样品的不同测量中存在极大的差异。相关处理方法曾被Dias团队发表在Nature期刊,但该文章现已撤稿,这一举动亦引起研究人员的质疑。至于晶体结构、具体组分、颜色变化等因素,也让人感觉到有点“不合常规”。特别是颜色方面,由于超导体对可见光波段的吸收,一般高临界温度的超导体都是清一色的黑色或者褐色,而Dias团队论文中公开的样品从初始的蓝色,经过加压后变成粉色,再加压后又变成红色,这个现象在高临界温度超导材料中是从未出现的。 

为此,本文不过多阐释文章中的结果和结论,仅浅谈一下室温超导的实现,对深地资源探测与开发装备研发具有哪些深远影响。磁传感器是深地资源探测与开发装备中不可或缺的关键部件,通过磁场测量能够获取地下电磁特性,进而评估地下介质与结构分布情况。例如,航空超导全张量磁梯度探测技术(图4),可通过航磁测量获取丰富的磁场及梯度张量信息,具有分辨率高,可实现定量探测等优势,但由于此前超导体需要在低温环境下实现,因此基于低温超导探测器(Superconducting QUantum Interference DeviceSQUID)的航空超导磁测系统开发难度极大,同时维护成本和使用成本较高。室温超导的实现,意味着不仅可以抛弃低温系统,大大减轻自重,而且可以极大地减轻使用和维护成本。 

4中科院上海微系统所依托中科院地质地球所承担的“深部资源探测核心装备研发”项目自主研发的低温超导全张量磁梯度测量系统

地面电磁探测系统中引入超导磁测技术,同样能够大大提升系统磁场测量精度,进而改善系统的探测能力,室温超导的实现将有助于基于超导磁测的地面电磁测量系统实用化、小型化。在深地油气资源开发的智能导钻系统(新京葡萄最新官网战略性先导科技专项“智能导钻技术装备体系与相关理论研究”)中,磁场测量同样重要。当前系统中地质导向电磁测量部分,主要通过磁芯线圈获取响应磁场,灵敏度与超导磁传感器仍存在差距。室温超导或高温高压超导的实现,或许可以应用于地下高压作业环境中提升系统磁测精度。此外,应用超导体还可实现大磁矩发射,若能应用于航空瞬变电磁探测系统中提升系统发射磁矩,将助力航空电磁系统探测深度突破当前瓶颈。若室温超导材料真实存在,且在未来可以开展大批量生产与低成本制造,可大范围应用到电力传输、信号采集、高速计算等领域,对整个物理届的发展产生深远的影响,并取得巨大的社会经济效益,期待常压室温超导技术的巨大革命。   

主要参考文献  

Dasenbrock-Gammon N, Snider E, McBride R, et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride[J].Nature, 2023, 615(7951): 244-250.原文链接 

Errea I. Superconducting hydrides on a quantum landscape[J].Journal of Physics: Condensed Matter, 2022, 34(23): 231501.链接 

Peng F, Sun Y, Pickard C J, et al. Hydrogen clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures: possible route to room-temperature superconductivity[J].Physical Review Letters, 2017, 119(10): 107001.链接 

Zhang Z, Cui T, Hutcheon M J, et al. Design principles for high-temperature superconductors with a hydrogen-based alloy backbone at moderate pressure[J].Physical Review Letters, 2022, 128(4): 047001.链接 

(撰稿:王中兴,康利利,谢宏宇/深地装备室) 

 
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