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室溫超導體（常溫超導體）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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室溫超導體

常溫超導體

室溫超導體又稱常溫超導體，其實不論高溫、室溫或低溫，只要盡量將化合物中的各種粒子給處于穩(wěn)定一點的狀態(tài)，并令(其中各種粒子的)自旋方向一致，自旋速度一致，如此一來便能使得，待傳送的那個電子擁有一個更平穩(wěn)。順向(像是氣流用語中的"駛流方向＆輻合方向)的傳送環(huán)境，便可近乎于常溫超導體的概念了，(傳送過程中，不被反向自旋的粒子，給碰撞干擾，也不被順向但自旋較慢之粒子給減速)。

基本信息

中文名	室溫超導體
外文名	Room temperature superconductor
時間	2014年
性質	超導體
發(fā)現(xiàn)時間	2013年

基本信息

2013年，德國馬普研究所的安德里亞·卡瓦萊里(Andrea Cavalleri)與一個國際團隊合作發(fā)現(xiàn)，當YBCO被紅外激光脈沖照亮時，在很短的一瞬間，它會暫時在室溫下變成超導體。激光明顯改變了這種晶體中雙層之間的耦合。不過，確切的機制當時并不清楚。

發(fā)展經歷

于是，物理學家決定用美國的LCLS，世界上最強大的X射線激光器，從實驗上揭開這個謎題。“我們再次向這種晶體發(fā)射了紅外脈沖，這會激發(fā)某些原子開始振蕩，”最近這項新研究的第一作者、馬普學會的物理學家羅曼·曼科夫斯基(Roman Mankowsky)解釋說，“短時間之后，我們再用X射線短脈沖照射晶體，精確測量被激發(fā)晶體中的晶體結構。”

結果，他們發(fā)現(xiàn)：紅外脈沖不只是激發(fā)這些原子振蕩，還使它們的位置在晶體中發(fā)生偏移。這會使雙層氧化銅短時間內變得更厚一些，增厚了大約2皮米(差不多是一個原子直徑的百分之一)，而它們之間的夾層則相應變窄了那么多。進而，這樣的變化增加了雙層之間的耦合程度，使得這種晶體在幾皮秒內變成了室溫超導體。

一方面，新的研究結果有助于補完仍舊不完整的高溫超導理論。“另一方面，它可以幫助材料科學家開發(fā)具有更高臨界溫度的新超導材料，”曼科夫斯基說。“也許不需要冷卻、能夠在室溫下工作的超導材料將不再是夢想。”直到現(xiàn)在，超導磁體、引擎和線纜都必須用液氮或液氦冷卻到遠低于零度的溫度。如果復雜的冷卻設施不再需要，那超導技術就獲得了突破。

這一結果12月4日被發(fā)表在《自然》雜志上。

機理解釋

一個由德國馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所參與的國際小組，2014年12月4日在《自然》雜志上報道了他們的此項工作。研究組相信這一現(xiàn)象背后的原理是：激光脈沖導致晶體晶格中的單個原子發(fā)生短暫變動，從而導致超導性的產生。這項成果將有望幫助現(xiàn)有低溫超導材料實現(xiàn)在高得多的溫度條件下實現(xiàn)超導性，因此擁有廣泛應用前景。

研究情況

火力發(fā)電廠可以建造在任何地方，但利用可再生能源的綠色電廠就要謹慎選址了，因為高原上才有強勁的風，沙漠中方能長沐日光，因此要向綠色能源轉變，我們面臨的最大挑戰(zhàn)之一，就是如何跨越數(shù)百千米的距離，將這些來自偏遠之地的電力輸送至城市。最先進的超導電纜可將電能輸送幾千千米而僅有百分之幾的損耗。但麻煩的是，電纜必須一直浸在77K(約 -196℃)的液氮之中。因此，如果要架設這樣的電纜，每隔一千米左右就必須安裝泵機和冷卻設備，大大增加了超導電纜方案的成本和復雜程度。

能在常溫常壓下工作的超導體，將使全球化電力供應夢想成真。通過橫穿地中海底的超導電纜，非洲撒哈拉沙漠的太陽也可以給西歐供電。然而，制作室溫超導體的秘訣至今依然成謎，與 1986年時沒有什么兩樣——研究人員就是在那一年，首次制備出了可在相對“高溫”的液氮中實現(xiàn)超導的物質(此前的超導體需要冷卻至 23K以下)。

2008年，一大類以鐵元素為基質的全新超導體(鐵基超導體)被人發(fā)現(xiàn)。理論學家能夠找到高溫超導體工作機制的希望也因此而大增(參見《環(huán)球科學》 2009年第8期《高溫超導“鐵”的飛躍》)。如果掌握了這一機制，室溫超導體也許就不再遙不可及。遺憾的是，進展仍很緩慢。

最新發(fā)現(xiàn)

當?shù)貢r間2023年3月7日，紐約羅切斯特大學物理學家朗加·迪亞斯在美國物理學會年會上介紹了團隊的研究新進展。稱他們創(chuàng)造出的超導可在室溫和相對較低的壓力下工作。

研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種由氫、氮、镥組成的材料，迪亞斯和同事將這些元素混合在金剛石壓砧（diamond anvil cell，產生超高壓的裝置）中，施加不同的壓力，測量電阻。開爾文（Kelvins，K）是一種絕對溫標，以絕對零度為計算起點。實驗發(fā)現(xiàn)，在294K（即21°C）的溫度下，材料失去電阻，不過仍然需要10kbar（約大氣壓力的10000倍）壓力才能實現(xiàn)材料的超導性能。但這已經遠低于在室溫工作的超導通常所需要的數(shù)百萬個大氣壓。迪亞斯表示，“這是可用于實際應用的新材料的開端。”

如果這一研究成果得到證實，這種材料有望用于現(xiàn)實。不過這項研究可能會面臨嚴重質疑，部分原因是該團隊早期發(fā)表的文章聲稱在15°C下發(fā)現(xiàn)了一材料的超導性。2020年10月，《自然》雜志報道了迪亞斯聯(lián)合內華達大學等團隊在室溫超導領域的突破，實現(xiàn)了15℃溫度下的碳氫硫化物超導。這種新型室溫超導體要在267GPa（1GPa=10kbar）的壓力下工作。但在2022年9月26日，《自然》雜志撤回論文，稱研究人員在數(shù)據(jù)處理方面存在違規(guī)行為。

撤稿聲明顯示，該研究關鍵數(shù)據(jù)處理、分析的有效性受到懷疑，盡管作者堅持認為原始數(shù)據(jù)能夠支持論文的主要結論，但過去兩年中其他科學家對研究數(shù)據(jù)的頻繁質疑無疑削弱了論文可信度。佛羅里達大學凝聚態(tài)物理學家James Hamlin說：“人們質疑這項研究已有相當長一段時間。” 加州大學圣地亞哥分校理論物理學家Jorge Hirsch表示，僅僅是撤稿還不足夠，他認為這反而掩飾了該研究中的學術不端現(xiàn)象：“我認為這里面有大問題，你不能把它視作普通的意見分歧。”

這次撤稿的不尋常之處在于，《自然》編輯不顧9位作者的反對采取了強制撤稿行為。迪亞斯表示：“我們堅持我們的研究結論已經在理論和實驗上得到了驗證。” 該研究的合著者、內華達大學拉斯維加斯分校物理學家Ashkan Salamat則指出，撤稿聲明并沒有質疑研究結論最關鍵的部分——超導體電阻的下降。他說：“我們對《自然》編委會的決策感到困惑和失望。”

而在2017年，當時在哈佛大學的迪亞斯和他的導師伊薩克·西維拉（Isaac Silvera）在《科學》雜志上發(fā)表的一篇同行評議論文中聲稱發(fā)現(xiàn)了金屬氫。據(jù)英國物理學會《物理世界》報道，他們把金剛石壓砧里的氫壓縮到接近500萬個大氣壓的壓力下，通過光學顯微鏡觀察，氫樣品有了金屬光澤。由于手頭沒有更好的設備，他們用iPhone拍下了樣品照片。后來，一些專家質疑實驗的真實性，并提出迪亞斯和他導師的這個實驗未能重復實現(xiàn)。

參考資料

[1]

美科學家被撤稿后再稱創(chuàng)造室溫超導，但仍可能面臨嚴重質疑？ · 中華網[引用日期2023-03-09]

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