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超高壓下首次實現室溫超導——中國團隊理論預言富氫材料

原標題:超高壓下首次實現室溫超導——中國團隊理論預言富氫材料

原創 董唯元 返樸

高溫超導領域實驗先行,理論探索仍需努力。

撰文 | 董唯元

近日,一則關於科學家實現高溫超導的新聞刷屏。一個美國研究團隊將碳、氫、硫混合材料加壓到267 ± 10 GPa時,實現了轉變溫度高達287.7 ± 1.2 K的超導,也就是15℃,這是迄今為止首個名副其實的室溫超導。這個創紀錄的成果於2020年10月14日發表在《自然》雜誌上[1] 。

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文章發表僅幾個小時之後,就有許多媒體爭相刊登新聞報道,其受關注程度近年來少有。引起關注的理由當然就是15℃這個非常友好的溫度,似乎未來提到超導的時候,再也不用跟那些冒著白霧的液氮、液氦聯繫在一起,甚至連氟利昂都可以省略了。

不過溫度條件雖然友好,壓力條件卻並不那麼容易達到。267GPa壓強相當於標準大氣壓的260萬倍,已經與地球中心壓強(370GPa)處在同一量級。我們在老式廚房裡見過的那種液化氣罐,只能承受這個壓強的十萬分之一。可以想象,如果我們試圖在地球中心開闢家園打造宜居室溫環境的話,恐怕仍然需要極端的製冷手段才行。如此看來,這項破紀錄的室溫超導成就,並沒有使超導立刻走向平民化,想在自家車裡或者後院直接使用超導技術的夢想還需要再耐心多等一段時間。

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圖:美國紐約州,羅徹斯特大學超導實驗室

當然從理論研究角度看來,這次超導轉變溫度紀錄的刷新,還是一個值得慶賀的成就,畢竟這是人類首次令人信服地在零度以上實現超導。儘管2018年底左右,另一個美國研究團隊曾經在實驗中也遇到過200GPa壓強下的LaH10可能具有280K(即7℃)的接近室溫超導,但由於存在一些妨礙實驗可重複性的偶然因素,所以最終發表的結論只是260K以上[2] ,即-13℃。

其實在高溫超導的探索過程中,瞬間閃現卻又難以復現的情況很常見[3] 。因為目前對超導的基本原理認識得還不夠完整,實驗發現一直走在理論前面,很多高溫超導現象至今都沒有完美的理論解釋。所以實驗物理學家在尋找超導材料以及設定實驗條件的時候,主要憑藉經驗甚至直覺來摸索猜測。這也正是阻礙高溫超導研究的主要困難所在。

雖然早在1911年人們就發現了低溫下水銀的超導現象,但直到1957年BCS理論的提出,才算得上第一個超導理論模型的確立。這個後來榮獲諾獎的理論,其要義就是用玻色-愛因斯坦凝聚來解釋超導現象。用中學物理的語言來說,粒子在低溫下波粒二象性中的波動性凸顯而粒子性削弱,當溫度足夠低時,所有粒子都化為同一個最低頻率的波,這就是玻色-愛因斯坦凝聚。有限空間里最低頻率的波,其波長已然貫及整個系統,所以自然就不存在任何穿行阻礙。

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不過玻色-愛因斯坦凝聚只會發生在玻色子系統,而承載電流的電子是費米子,BCS理論提出電子可以兩兩成對拼在一起形成「庫珀對」,每個「庫珀對」就具有了玻色子特性,在低溫下可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。

從BCS理論可以看出,超導只可能出現在足夠低溫的條件下。事實上直到1986年鑭鋇銅氧超導材料被發現之前,研究者們一直認為超導轉變溫度不可能超過30K。而鑭鋇銅氧的35K轉變溫度,正式宣告了高溫超導探索之路的啟程,發現者來自瑞士IBM研究實驗室的德國物理學家貝德諾爾茨(Johannes Bednorz)和瑞士物理學家繆勒(K. Alex Müller)因此斬獲1987年的「炸藥獎」。

雖然缺乏理論支撐,但善於摸索的研究者很快發現如果將鑭替換成釔,轉變溫度會大幅提升至90K左右,超過了液氮的沸點。與以往依靠液氦冷卻相比,只需要液氮冷卻使超導的成本大幅降低。於是,釔鋇銅氧這一族系的超導材料研究,在當時掀起一股研究熱潮。1993年時最高達到了標準大氣壓下138K的紀錄。

在相當一段時間內,釔鋇銅氧族系幾乎成了高溫超導的代名詞。直到2008年,日本研究者率先發現了以鐵元素為主要成分的超導材料,並很快探索到了55K的轉變溫度,此時人們才意識到高溫超導現象竟然在性質迥異的不同材料中如此廣泛的存在。常溫下表現為絕緣體和普通導體的材料,都有可能在低溫下超導。另外,納米碳管和石墨烯等超導材料的出現,也使蒙在超導現象之上的面紗變得越來越神秘,逼得理論研究者甚至開始動用Ads/CFT對偶這樣的理論工具來嘗試解釋[4] 。

但是畢竟沒有可行的理論指導,常壓下繼續摸索提高轉變溫度的努力變得越來越困難。要想繼續提高溫度,最容易想到的辦法就是增加壓強。壓強等於能量密度,而溫度則對應其中動能的密度。所以,高壓常溫也好,常壓低溫也罷,都是盡量消除動能在總能量中的佔比,某種意義上說具有相同的性質。雖然這條路徑似乎有「靠篡改單位制來提高讀數」的嫌疑,但即使拋開溫度結論的公平性和可比性,這類研究本身確實可以從另一個之前被忽略的角度繼續探索超導現象背後的物理實質。

2014年,我國吉林大學的馬琰銘研究組首次預言H2S在160 萬個大氣壓有80K左右的超導電性,吉林大學的另一團隊崔田研究組預言H2S-H2化合物在高壓下可能實現101-204K的高溫超導[5]。 次年一個德國團隊就通過實驗驗證了這兩個預言,在150GPa壓強下,發現了硫化氫的超導轉變溫度可以達到203K[6] 。隨後一些研究者對這個新的族系和方向進行了跟進研究,並在當時就認為這一成績仍有很大的進步空間。在富氫材料方面我國的研究者成果頗豐,預言了更多在高溫高壓條件下氫化物超導的存在,例如CaH6、GaH3、SnH4、Si2H6、PH3等。2015年北京理工大學姚裕貴研究組通過第一原理證明用少量磷取代部分硫原子,完全可以實現250GPa下280K的目標[7]。

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此後的一系列實驗果然見證了快速提升的轉變溫度,直到最近前文提到的2019年那次200GPa壓強下260~280K超導的鑭化氫,以及剛剛發表的267GPa壓強下288K超導的碳氫硫混合物。

值得一提的是,這些歐洲、美國和澳洲實驗團隊取得的成果,大部分都源發自中國研究團隊的理論預言,我國在超導領域的研究一直處於比較領先的水平。這種優勢早在90年代主流研究常壓下釔鋇銅氧族系時就已經打下基礎,現在高壓室溫超導的研究中則在進一步鞏固增強。2015年《自然》雜誌撰寫文章介紹該領域首個重要成果時,一共採訪了4個研究團隊,其中3個來自中國,1個來自美國。

對於此次發現,《返樸》邀請到中國科學院物理研究所孫力玲研究員進行了採訪。來看看她如何看待此次發現。

返樸:對於最近報道267 GPa下288K超導體的結果,您如何看待其主要意義和重要性?實現超導需要如此高壓似乎沒有直接的應用前景,那麼對於我們認識物質世界又有何幫助?

孫:最近在氫化物中發現的開氏溫度為288 K的超導轉變,其轉變溫度相當於攝氏溫度15度,已達室溫。儘管文章沒能給出具體的化學組分和晶體結構,但較詳細地描述了該超導體是由C-S-H三種元素構成,以及樣品的製備工藝。這為其他課題組通過實驗證實這種室溫超導現象提供了重要的信息。如果其他組的實驗能夠得到同樣的結果,那麼Nature此次報道的發現將是超導研究領域具有里程碑意義的工作,因為這是第一個在室溫下發現的超導體,與1987年發現的液氮溫區銅氧化物超導體的影響相似,將會對人們對超導電性的理解產生巨大的衝擊。

由於這是在267 GPa下才能存在的超導電性,目前來看需要超導體在這樣高的壓力條件下工作的環境還很難例舉。但是在天體物理研究方面,對有些行星中可能存在類似富氫化合物超導體的研究與認識可能會有所幫助。

返樸:自2014年以來新提出的超高壓硫化氫這一族系研究方向,與先前的超導研究相比,有哪些特殊的目的和意義?現在研究進展如何?

孫:自2014年以來新提出的超高壓硫化氫等氫化物的研究是基於六十年代美國康奈爾大學Ashcroft教授提出的「若氫實現金屬化,它可能是一種室溫超導體」,因而金屬氫多年來被譽為高壓物理研究的「皇冠「。在全球範圍內為數不多的幾個研究組都曾對這項研究做出過努力,包括美國卡內基研究院地球物理實驗室的毛河光先生研究組、哈佛大學的Silvera教授研究組、 康奈爾大學的Ruoff教授研究組等(本人曾在Ruoff教授研究組做了三年多的金屬氫及富氫化合物的研究)。

後來,在2003年前後Ashcroft教授又提出了富氫的氫化物可能在壓力下更容易實現金屬化。在這樣的背景下,中國科學家提出了對硫化氫高壓超導電性的理論預測。這些研究的目的在於最終在實驗上實現金屬氫或富氫化合物的金屬化,並探索其可能存在的室溫超導電性。

返樸:目前國內的相關理論研究和實驗進展情況如何?我們發現在高溫超導領域中很多結論都是先由中國研究團隊提出理論預言,之後來自歐洲、美國和其他國家的實驗團隊再跟進驗證。是否說明我國在這個領域已經達到引領全球的水平?同時,為什麼國內的實驗驗證工作相對較少發聲?

孫:的確,在理論研究方面中國科學家最早預測了硫化氫中可能存在的高溫超導電性,但在實驗研究方面由於開展這方面實驗研究的「門檻較高」,在實驗技術方面難度很大。這類超高壓實驗是在金剛石對頂壓砧中實現的,要想使壓砧中樣品上獲得200 GPa以上的壓力, 通常情況下,樣品尺寸僅為10-20微米左右。對於這樣小的樣品,研究人員需要進行判斷超導電性存在的零電阻和抗磁(邁斯納效應)測量,在技術上極具挑戰性。事實上具有能力開展這種實驗的研究組很少。

近年來,國內有幾個研究組已具備能夠開展這類研究的技術條件,我認為不久很可能會有一些相關研究結果出現。我相信通過進一步深入系統地研究最終會獲得這種超導體的化學組分、晶體結構、電子結構與超導電性,及其關聯性等更完整的信息,進而實現對這種室溫超導現象本質的準確理解。

孫力玲,現任中國科學院物理研究所研究員,博士生導師。美國物理學會會士。主要研究方向:高壓-低溫-磁場條件下超導及其它電子關聯繫統的物態及物性的研究;超導及其它先進材料的高溫高壓合成。

參考文獻與註釋

[1] Snider, E. et al. Nature 586, 373–377 (2020). DOI: 10.1038/d41586-020-02895-0

[2] Somayazulu, M. et al. Phys. Rev. Lett. (2019) DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027001

[3] 1997年筆者還在北大物理系讀本科的時候,班上就有個同學真切地觀測到了250K的轉變溫度,而當時的公認世界紀錄在140K以下。起初我們都以為他可能馬上迎來人生高光時刻,然而僅隔了一段飯的時間,那塊始終沒有離開玻璃罩的材料就莫名其妙地變成絕緣陶瓷狀態,再也沒有展露出絲毫超導跡象。後來他把這事彙報給負責高溫超導實驗室的A老師,A老師淡然地示意他不要大驚小怪,還囑咐他不要再向另外一位B老師彙報了,因為B老師已經被這種事搞得快抑鬱了。

[4] Holographic Duality in Condensed Matter Physics;Jan Zaanen, Yan Liu, Ya Sun K.Schalm; 2015, Cambridge University Press, Cambridge

[5] 羅會仟. 超導"小時代"之三十六壓力山大更超導[J]. 物理, 2018, 47(10):676-679.

[6] Nature 524, 277 (20 August 2015) doi:10.1038/nature.2015.1819

[7] Ge Y, Zhang F, Yao Y. Phys. Rev. B 93, 224513 doi:10.1103/PhysRevB.93.224513

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