美國(guó)研究人員取得了一項(xiàng)歷史性成就，在足夠低的溫度和壓力下創(chuàng)造了一種超導(dǎo)材料，并可用于實(shí)際應(yīng)用。在最新一期《自然》雜志發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了這種氮摻雜氫化镥(NDLH)，它在21攝氏度和1萬(wàn)個(gè)大氣壓條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

(資料圖)

領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的羅切斯特大學(xué)機(jī)械工程和物理學(xué)助理教授蘭加·迪亞斯表示，有了這種材料，環(huán)境超導(dǎo)和應(yīng)用技術(shù)的曙光已經(jīng)到來(lái)。

通過(guò)顯微鏡觀察到的大約一毫米直徑的氫化镥樣本，這是羅徹斯特大學(xué)科學(xué)家蘭加·迪亞斯實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的一種超導(dǎo)材料。該合成圖像是焦點(diǎn)疊加和色彩增強(qiáng)多幅圖像的結(jié)果。圖源：羅徹斯特大學(xué)/J. Adam Fenster

前序研究的爭(zhēng)議

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直在追求凝聚態(tài)物理學(xué)的這一突破。超導(dǎo)材料有兩個(gè)關(guān)鍵特性：電阻消失，以及被排出的磁場(chǎng)繞過(guò)超導(dǎo)材料。這些材料具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，如無(wú)損耗輸電電網(wǎng)、無(wú)摩擦懸浮高速列車(chē)、更實(shí)惠的醫(yī)學(xué)成像和掃描技術(shù)、用于數(shù)字邏輯和存儲(chǔ)的更高效電子設(shè)備，以及使用磁場(chǎng)限制等離子體實(shí)現(xiàn)聚變的托卡馬克裝置等等，最后一項(xiàng)也被認(rèn)為是未來(lái)無(wú)限能量的來(lái)源之一。

此前，迪亞斯團(tuán)隊(duì)在《自然》和《物理評(píng)論快報(bào)》的論文中報(bào)道了兩種材料——碳質(zhì)硫氫化物和超氫化釔，分別在21攝氏度/267GPa和零下11攝氏度/180GPa下具有超導(dǎo)性。

鑒于最新發(fā)現(xiàn)的重要性，迪亞斯團(tuán)隊(duì)竭盡全力記錄他們的研究，并消除上一篇《自然》論文發(fā)表后被撤稿招致的批評(píng)。《自然》已于2022年撤下此前的論文，《物理評(píng)論快報(bào)》的論文也受到一些同行質(zhì)疑。相比于上一篇論文從投出到被接收僅用了不到10天，最新論文的審稿流程更加漫長(zhǎng)。迪亞斯教授表示，論文經(jīng)歷了5輪審稿，他們提供了原始數(shù)據(jù)和樣本，最終得以發(fā)表。

迪亞斯說(shuō)，之前的論文已重新提交給《自然》，其中包含驗(yàn)證早期工作的新數(shù)據(jù)。這些新數(shù)據(jù)是在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等外部收集的，并有科學(xué)家在現(xiàn)場(chǎng)觀看超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的演示。

它的名稱(chēng)來(lái)自《星際迷航》

近年來(lái)，通過(guò)將稀土金屬與氫結(jié)合，然后添加氮或碳而產(chǎn)生的氫化物，為研究人員提供了制造超導(dǎo)材料的誘人“工作配方”。除了釔，研究人員還使用了其他稀土金屬。然而，所得化合物在仍然無(wú)法實(shí)際應(yīng)用的溫度或壓力下變得超導(dǎo)。

研究團(tuán)隊(duì)此次將目光投向了元素周期表的其他地方。迪亞斯說(shuō)，镥看起來(lái)是“一個(gè)值得嘗試的好候選物”。它在其f軌道配置中具有高度局部化的完全填充的14個(gè)電子，可抑制聲子軟化并增強(qiáng)在環(huán)境溫度下發(fā)生超導(dǎo)性所需的電子—聲子耦合。

迪亞斯表示，與碳一樣，氮具有剛性原子結(jié)構(gòu)，可用于在材料內(nèi)形成更穩(wěn)定的籠狀晶格，并使低頻光學(xué)聲子變硬。這種結(jié)構(gòu)為在較低壓力下發(fā)生超導(dǎo)性提供了穩(wěn)定性。

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種由99%的氫氣和1%的氮?dú)饨M成的氣體混合物，將其放入裝有純镥樣本的反應(yīng)室中，并讓這些成分在200攝氏度下反應(yīng)兩到三天。

論文稱(chēng)，由此產(chǎn)生的镥—氮—?dú)浠衔镒畛跏且环N“有光澤的藍(lán)色”。然后，當(dāng)化合物在金剛石砧座中被壓縮時(shí)，發(fā)生了“驚人的視覺(jué)轉(zhuǎn)變”：在超導(dǎo)性開(kāi)始時(shí)從藍(lán)色變?yōu)榉奂t色，然后變?yōu)榱良t色的非超導(dǎo)金屬態(tài)。

研究人員幽默地為這種狀態(tài)的材料取名為“Reddmatter”，即電影《星際迷航》中創(chuàng)建的材料名。

我們正處于現(xiàn)代超導(dǎo)時(shí)代

誘導(dǎo)超導(dǎo)性所需的壓力，比之前在迪亞斯實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的低壓低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。迪亞斯表示，“通向超導(dǎo)消費(fèi)電子產(chǎn)品、能量傳輸線、運(yùn)輸和顯著改進(jìn)聚變磁約束的途徑，現(xiàn)在已成為現(xiàn)實(shí)。我們現(xiàn)在正處于現(xiàn)代超導(dǎo)時(shí)代。”他預(yù)測(cè)，摻氮的氫化镥將大大加快托卡馬克機(jī)器的研發(fā)進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)聚變。托卡馬克裝置不是使用強(qiáng)大的會(huì)聚激光束來(lái)內(nèi)爆燃料顆粒，而是依靠環(huán)形外殼發(fā)出的強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)捕獲、保持和點(diǎn)燃過(guò)熱等離子體。

迪亞斯還表示，氮摻雜氫化镥在室溫下會(huì)產(chǎn)生“巨大的磁場(chǎng)”，而這“將成為新興技術(shù)的游戲規(guī)則改變者”。更令人興奮的是，有可能利用超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以預(yù)測(cè)其他可能的超導(dǎo)材料。

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