今日Nature封面:15℃室温超导问世,10位诺奖得主的梦更近了!-超硬材料国家重点实验室

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今日Nature封面:15℃室温超导问世,10位诺奖得主的梦更近了!

信息来源:本站 发布时间:2020-10-15 点击人数:

9秒58,这是人类百米赛跑的世界纪录。

人在路上奔跑,总会有阻力;同样,电子在材料里奔跑,也会有阻力。我们把电子奔跑的阻力称之为电阻。对于绝缘体材料而言,电阻随温度下降而上升,对于导体而言,电阻随温度下降而下降。

科学家总是天马行空,他们想,如果把材料的温度降低到接近绝对零度(-273.15 ℃),电阻会发生什么变化呢?

1911年,Onnes等人在冷却温度低于4 K(-269.15℃)的水银中,首次发现超导现象。他们发现,当温度低于4K时,水银的电阻几乎为零。超导材料具有超级优异的导电性,可以以100%的效率传输电能。

一个多世纪以来,科学家从未停止过对超导材料的追逐!

10位诺奖得主逐梦超导

关于超导的研究,至今不过110年,却获得了五次诺贝尔物理学奖,诞生了10位诺奖得主。科学家对于超导的认识越多,就越沉迷于其中,不能自拔。

1913年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes获得诺贝尔物理学奖,以表彰其对低温物质特性的研究,特别是这些研究使得液氦生产成为可能,也使得首次发现超导成为可能。

1933年,德国物理学家W. Meissner和R. Ochsenfeld发现超导体体内的磁场恒等于零。零磁场和零电阻,成为判定超导材料的两个主要特征。

1957年,美国科学家John Bardeen和Leon N Cooper、John Robert Schrieffer合作提出超导BCS理论,对超导机理进行解释,获得1972年诺贝尔物理学奖。值得一提的是, John Bardeen还因为发明半导体晶体管获得1956年诺贝尔物理学奖,是世界上唯一一个获得两次诺贝尔物理学奖的人。

挪威物理学家Ivar Giæver和英国科学家Brian David Josephson因为对超导隧道效应相关领域的研究,获得1973年诺贝尔物理学奖。

1986年,德国物理学家Johannes Georg Bednorz和Karl Alexander Müller首次发现陶瓷材料中的超导性,获得1987年诺贝尔物理学奖。

1950年,俄罗斯科学家阿列克谢·阿列克谢维奇·阿布里科索夫、维塔利·金兹堡和英国科学家Anthony Leggett提出超导热力学效应。由于他们在超导和超流体领域的贡献,获得2003年诺贝尔物理学奖。

室温超导,难于上青天

即便是斩获无数殊荣,超导依然存在许多问题悬而未决。其中一个关键问题就是,实现超导的温度太低了!

1911年,首次实现超导的温度是4K,也就是零下269℃,这需要使用液氦这种昂贵的材料以及配套设备,根本无法实用。随着越来越多的超导体被发现,实现超导所需要的最高临界温度的已经逐步朝着室温迈进。

2001年,日本科学家Jun Akimitsu等人发现硼化镁在39K温度下表现出超导性。

2008年,日本科学家Hideo Hosono首次发现铁基超导,临界温度为26K

2015年,德国科学家M. I. Eremets在Nature报道,他们发现H2S在203K(-70℃)具有高温超导,但是需要超高的压力。

 

 

2019年,德国马普化学所Drozdov团队报道了当压力压缩到地球大气压超过一百万倍时,氢化镧化合物在250 K(-23℃)时就变成超导体,这是之前已知的最接近室温的超导体。

 

即便取得了这样那样的突破,然而,至今为止,没有一个材料,能够在0℃以上实现超导,这也是超导备受推崇,却无法实现大规模、多场景实际应用的最大伤痛之一!

颠覆:15℃室温超导问世

在科学的世界,没有什么是不可能的。

2020年10月15日,美国科学家Ranga P. Dias等人在Nature封面发表重磅论文,实现了15℃的室温超导。

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这种超导材料由C、H、S三种元素组成的化合物。原本,研究人员将碳、硫和氢气置于实验装置中,打算通过激光触发样品中的化学反应以观察其形成的晶体。结果,当温度降低时,他们惊奇地发现,通过材料的电流的电阻降至零。这也算是一个意外的惊喜了。

 

然后他们通过增加压力,发现这种超导转变可以在越来越高的温度下实现。最终实现了287.7K的转变温度,而所需要的压力为267GPa,是大气压力的260万倍。

在2015年H2S超导的基础上,添加C元素,大大拓宽了未来寻找新超导体的范围。这项研究表明,通过引入更多元素,有望进一步降低压力。

这项研究再次证明,富氢材料是实现室温超导的绝佳材料。当然,依然还有很多问题亟待解决。

未来已来

这是人类历史上,第一次距离室温超导这么近。虽然所需要的压力还是那么遥不可及,但是,摆在超导面前的三座大山,至少已经跨越了一座。

我们有理由相信,在不久的将来,会有更多新型超导体出现,帮助我们爬过另外两座高山。

最后,真心希望这个结果是可重复的!

未来已来

拭目以待