蘭加·迪亞斯領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)新研究的目標(biāo)是開發(fā)室溫下的超導(dǎo)材料。正如迪亞斯實(shí)驗(yàn)室的這張照片所展示的那樣，目前只有在極冷的環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性。在這張圖片中，一塊磁鐵懸浮在一個(gè)用液氮冷卻的超導(dǎo)體上
據(jù)國外媒體報(bào)道，美國羅徹斯特大學(xué)的工程師和物理學(xué)家利用氫氣在極高的壓力下壓縮成簡單的固體分子，首次創(chuàng)造出了在室溫下具有超導(dǎo)性的材料。這項(xiàng)研究是由物理和機(jī)械工程助理教授蘭加·迪亞斯(Ranga Dias)的實(shí)驗(yàn)室完成的，并在近日成為《自然》(Nature)雜志的封面故事。
超導(dǎo)體是指在特定溫度下電阻為0的導(dǎo)體，零電阻和完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。迪亞斯表示，開發(fā)室溫超導(dǎo)材料是凝聚態(tài)物質(zhì)物理學(xué)的“圣杯”，研究者們已經(jīng)尋找了一個(gè)多世紀(jì)，這些材料“絕對可以改變我們所知道的世界”。
為了創(chuàng)造新的記錄，迪亞斯和他的研究團(tuán)隊(duì)將氫、碳和硫結(jié)合在一起，以光化學(xué)合成方法在一個(gè)金剛石壓腔中合成了簡單的有機(jī)衍生碳質(zhì)硫氫化物。金剛石壓腔是一個(gè)用來檢測極高壓力下極微量材料的研究設(shè)備。
碳質(zhì)硫氫化合物在約15攝氏度和約2670億帕的壓力下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這是人類第一次在室溫下觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。迪亞斯說：“由于低溫的限制，具有如此優(yōu)異性能的材料并沒有像許多人想象的那樣徹底改變世界。然而，我們的發(fā)現(xiàn)將打破這些障礙，并為許多潛在的應(yīng)用提供可能。”目前，他也在參與羅徹斯特大學(xué)的材料科學(xué)和高能密度物理項(xiàng)目。
據(jù)介紹，這種室溫超導(dǎo)材料的潛在應(yīng)用包括：
(1)在沒有電阻之后，電網(wǎng)在傳輸電能時(shí)可以減少高達(dá)2億兆瓦的能量;
(2)開發(fā)一種推動(dòng)懸浮列車和其他交通工具形式的新方式;
(3)促進(jìn)醫(yī)學(xué)成像和核磁共振等掃描技術(shù)，以及心磁圖掃描(magnetocardiography)的發(fā)展;
(4)開發(fā)出更快、更高效的電子數(shù)字邏輯與存儲設(shè)備技術(shù)。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的合著者、美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的阿什肯·薩拉馬特(Ashkan Salamat)說：“現(xiàn)在我們生活在一個(gè)半導(dǎo)體社會，有了這種技術(shù)，我們就將進(jìn)入一個(gè)超導(dǎo)社會，你將不再需要電池之類的東西，”。
金剛石壓腔所產(chǎn)生的超導(dǎo)材料的量是用“皮升”(picoliter，縮寫為pL)來測量的，1皮升為1升的萬億分之一，大約是打印機(jī)單個(gè)噴墨墨滴的大小。
迪亞斯表示，下一個(gè)挑戰(zhàn)是找到在較低壓力下制造室溫超導(dǎo)材料的方法，這樣就可以節(jié)省成本并提高產(chǎn)量。與金剛石壓腔內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)千億帕壓力相比，海平面上地球的大氣壓(即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)只有101325帕。
為什么室溫很重要?
超導(dǎo)體在1911年首次被發(fā)現(xiàn)，具有兩個(gè)關(guān)鍵的特性：一是電阻完全消失，二是完全抗磁性，又稱邁斯納效應(yīng)。磁場線無法穿過超導(dǎo)體，必須在超導(dǎo)材料周圍傳遞，使其有可能懸浮起來。這一現(xiàn)象這可以用于無摩擦的高速列車，即磁懸浮列車。如今，超導(dǎo)現(xiàn)象的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁鐵已經(jīng)成為磁懸浮列車、核磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機(jī)器、粒子加速器和其他先進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵部件，包括早期的量子超級計(jì)算機(jī)。
然而，這些設(shè)備中使用的超導(dǎo)材料通常只能在極低的溫度下工作——比地球上任何自然溫度都低。這一限制使得維護(hù)它們的成本很高，而且難以擴(kuò)展到其他潛在的應(yīng)用上。“將這些材料保持在低溫下的成本太高，因此無法真正充分地利用它們，”迪亞斯說道。
在此之前，超導(dǎo)材料的最高溫度是2019年在德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的米哈伊爾·埃雷米茨(Mikhail Eremets)實(shí)驗(yàn)室，以及美國伊利諾伊大學(xué)的拉塞爾·赫姆利(Russell Hemley)的研究小組實(shí)現(xiàn)的。該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了用鑭超氫化物在零下23攝氏度左右的超導(dǎo)性。近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學(xué)物質(zhì)作為高溫超導(dǎo)體的潛在可能性。不過，作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有前景的元素。
“要獲得高溫超導(dǎo)體，你需要更強(qiáng)的化學(xué)鍵和更輕的元素。這是兩個(gè)非常基本的標(biāo)準(zhǔn)，”迪亞斯道，“氫是最輕的材料，而氫鍵是最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一。從理論上講，固體金屬氫具有很高的德拜溫度和很強(qiáng)的電子-聲子耦合，這是室溫超導(dǎo)所必需的。”
然而，僅僅是將純氫轉(zhuǎn)化為金屬狀態(tài)就需要非常高的壓力。2017年，哈佛大學(xué)教授艾薩克·西爾維拉(Isaac Silvera)和當(dāng)時(shí)在其實(shí)驗(yàn)室做博士后研究的迪亞斯合作，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
“范式轉(zhuǎn)變”
在羅徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，迪亞斯在研究方法上追求一種“范式轉(zhuǎn)變”，即使用一種替代性的富氫材料，這種材料既模擬了純氫的超導(dǎo)相，而且可以在更低的壓力下實(shí)現(xiàn)金屬化。
首先，研究人員在實(shí)驗(yàn)室中結(jié)合了釔和氫。由此產(chǎn)生的超氫化釔表現(xiàn)出了超導(dǎo)電性，當(dāng)時(shí)的溫度約為零下11.1攝氏度，壓力約為1790億帕。
接下來，研究人員對共價(jià)富氫有機(jī)物衍生材料進(jìn)行了探索。他們認(rèn)為，通過加入第三種元素——碳，可以使臨界溫度提得更高，因?yàn)樘寄芘c鄰近原子形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵。最終，這項(xiàng)工作的成果便是一種簡單的碳質(zhì)硫氫化物，可以將實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的溫度提高到15攝氏度。研究人員在報(bào)告中稱：“碳的存在在這里也同樣重要。”他們還表示，對這一元素組合進(jìn)行進(jìn)一步的“成分調(diào)整”，可能是在更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵。
不過，也有研究者認(rèn)為，迪亞斯的實(shí)驗(yàn)條件十分極端，意味著距離實(shí)際應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)。目前，迪亞斯和薩拉馬特已經(jīng)創(chuàng)建了一家名為“非凡材料”(Unearthly Materials)的公司，希望能找到一種在日常壓力環(huán)境下可大規(guī)模生產(chǎn)的室溫超導(dǎo)材料。在他們的這篇論文發(fā)表之后，相信世界各地也會有許多理論和實(shí)驗(yàn)小組加入到對這一問題的研究當(dāng)中。
