終於研發出室溫超導體!但仍須加壓來維持結構

首次發現室溫超導體!雖然達成了長久以來的里程碑,但接下來的挑戰就是要在一般壓力下也能使用。
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J. Adam Fenster/University of Rochester
J. Adam Fenster/University of Rochester
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紐約一群物理學家發現一種可以在室溫完美有效傳導電流的物質,而這正是科學界長久以來追求的里程碑。這個氫、碳、硫組成的複合物可以在攝氏 15 度時成為超導體,比去年發表最接近室溫的超導體紀錄還要高了近攝氏 28 度,並且成果已刊登於 Nature 期刊。

這種物質由羅徹斯特大學研究員 Ranga Dias 帶領的團隊所開發,不過在慶祝成果的同時研究員們也強調,就算真能夠在環境中控制超導體隱含的脆弱量子效應,大概也沒辦法進一步成為無損電纜、零摩擦高鐵,或其他革命性的科技應用,因為這種超導物質必須在兩組鑽石間加壓至約等於地心壓力的 75%,才能在室溫發揮作用。

現在材料科學家的新挑戰是,不僅得在室溫下找到超導體,同時還得滿足一般的壓力條件。

當自由流動的電子撞到金屬內的組成原子,就會產生電阻。但 1911 年,研究員發現在低溫下,電子可以讓金屬原子的柵格產生振動,這些振動再把電子拉在一起,變成庫柏對。這時候庫柏對有不同的量子規則,讓這些電子能夠協同流動,不會受到原子柵格阻擋,也就沒有電阻。但隨著溫度上升,粒子就會開始亂晃,破壞電子們巧妙的流動。

研究者們花了數十年在尋找有沒有超導體中庫柏對結合地夠緊密,可以撐過相對高溫的日常環境。1968 年一位康乃爾大學的固態物理學家 Neil Ashcroft 提出,氫原子的柵格能夠能達成這個目標。氫原子的小體積,讓電子更靠近柵格的節點,透過震動來增強互動。氫原子的輕量也讓初始的漣漪震動地更快,進一步加強了庫柏對的連結。

把氫原子壓進金屬柵格需要高到不實用的壓力,但 Ashcroft 的研究顯示氫化物有望在更容易達成的壓力下讓金屬氫出現超導特性。

來到 2000 年代,出現了超級電腦的模擬,讓學者可以預測各種氫化物的特性,而鑽石砧的普及讓實驗人員可以測試有希望的材質,各種氫化物開始創造紀錄。一組德國團隊在 2015 年發表金屬態的硫化氫,可以在攝氏 -70 度、150 萬大氣壓下產生超導特性。4 年後,同一個實驗室用十氫化鑭達成 -23 度、180 萬大氣壓的超導體,另外一個團隊還找到 -13 度下有超導特性的證據

Dia 在羅徹斯特的實驗室現在打破了這些紀錄,透過初步的計算以及一股直覺,這個團隊測試各種氫化物的黃金比例。加入太多氫,超導特性就無法像金屬氫一樣強,加入太少又會很像金屬氫,又得加壓大到會壓壞鑽石砧的程度。在實驗過程中,團隊弄壞了超過 3000 組鑽石砧。「我們研究碰到最大的問題就是買鑽石的預算,」Dias 在報導中說。

2015 年終於證實了現在配方的雛形,研究員用甲烷加上硫化氫,並且用雷射去加熱這個混合物。但是這個氫、碳、硫複合體的配方細節卻無從得知,因為氫原子太小了,用傳統的柵格探針顯示不出來,所以團隊不知道原子是怎麼排列的,也不知道這種物質的確切化學式。

一名計量化學家 Eva Zurek 的團隊和 Dia 的實驗室有不算緊密的合作關係。Eva 的團隊在 2020 年稍早預測,在特定條件下於鑽石砧中形成的金屬有超導特性。她猜測高壓可以讓 Dia 的物質轉變成某種未知型態,而且這種形態有很旺盛的超導特性。

一旦 Dia 的團隊找出手上有的物質細節,理論學者們就能找出為這個氫、碳、硫物質帶來超導特性的性質,也許可以進一步修改配方。

物理學家已經證實大部分的雙元素氫化物是個死胡同,但新的三元素混合領域帶來了明顯的進步,尤其是碳元素。氫原子的輕量並非增加振動促成庫柏對形成的唯一方法,加強柵格內鄰近原子的連結也能幫得上忙,而碳有很強的共價連結。有碳架構的物質能夠讓這些組合在適合人類的壓力下也不會崩解。

核稿編輯: MindyLi

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