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[话题] 超高压下首次实现室温超导——中国团队理论预言富氢材料

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yexuqing 发表于 2020-10-18 21:28:25 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
原创 董唯元 返朴

高温超导领域实验先行,理论探索仍需努力。

撰文 | 董唯元

近日,一则关于科学家实现高温超导的新闻刷屏。一个美国研究团队将碳、氢、硫混合材料加压到267 ± 10 GPa时,实现了转变温度高达287.7 ± 1.2 K的超导,也就是15℃,这是迄今为止首个名副其实的室温超导。这个创纪录的成果于2020年10月14日发表在《自然》杂志上[1] 。

文章发表仅几个小时之后,就有许多媒体争相刊登新闻报道,其受关注程度近年来少有。引起关注的理由当然就是15℃这个非常友好的温度,似乎未来提到超导的时候,再也不用跟那些冒着白雾的液氮、液氦联系在一起,甚至连氟利昂都可以省略了。

不过温度条件虽然友好,压力条件却并不那么容易达到。267GPa压强相当于标准大气压的260万倍,已经与地球中心压强(370GPa)处在同一量级。我们在老式厨房里见过的那种液化气罐,只能承受这个压强的十万分之一。可以想象,如果我们试图在地球中心开辟家园打造宜居室温环境的话,恐怕仍然需要极端的制冷手段才行。如此看来,这项破纪录的室温超导成就,并没有使超导立刻走向平民化,想在自家车里或者后院直接使用超导技术的梦想还需要再耐心多等一段时间。

图:美国纽约州,罗彻斯特大学超导实验室

当然从理论研究角度看来,这次超导转变温度纪录的刷新,还是一个值得庆贺的成就,毕竟这是人类首次令人信服地在零度以上实现超导。尽管2018年底左右,另一个美国研究团队曾经在实验中也遇到过200GPa压强下的LaH10可能具有280K(即7℃)的接近室温超导,但由于存在一些妨碍实验可重复性的偶然因素,所以最终发表的结论只是260K以上[2] ,即-13℃。

其实在高温超导的探索过程中,瞬间闪现却又难以复现的情况很常见[3] 。因为目前对超导的基本原理认识得还不够完整,实验发现一直走在理论前面,很多高温超导现象至今都没有完美的理论解释。所以实验物理学家在寻找超导材料以及设定实验条件的时候,主要凭借经验甚至直觉来摸索猜测。这也正是阻碍高温超导研究的主要困难所在。

虽然早在1911年人们就发现了低温下水银的超导现象,但直到1957年BCS理论的提出,才算得上第一个超导理论模型的确立。这个后来荣获诺奖的理论,其要义就是用玻色-爱因斯坦凝聚来解释超导现象。用中学物理的语言来说,粒子在低温下波粒二象性中的波动性凸显而粒子性削弱,当温度足够低时,所有粒子都化为同一个最低频率的波,这就是玻色-爱因斯坦凝聚。有限空间里最低频率的波,其波长已然贯及整个系统,所以自然就不存在任何穿行阻碍。

不过玻色-爱因斯坦凝聚只会发生在玻色子系统,而承载电流的电子是费米子,BCS理论提出电子可以两两成对拼在一起形成“库珀对”,每个“库珀对”就具有了玻色子特性,在低温下可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。

从BCS理论可以看出,超导只可能出现在足够低温的条件下。事实上直到1986年镧钡铜氧超导材料被发现之前,研究者们一直认为超导转变温度不可能超过30K。而镧钡铜氧的35K转变温度,正式宣告了高温超导探索之路的启程,发现者来自瑞士IBM研究实验室的德国物理学家贝德诺尔茨(Johannes Bednorz)和瑞士物理学家缪勒(K. Alex Müller)因此斩获1987年的“炸药奖”。

虽然缺乏理论支撑,但善于摸索的研究者很快发现如果将镧替换成钇,转变温度会大幅提升至90K左右,超过了液氮的沸点。与以往依靠液氦冷却相比,只需要液氮冷却使超导的成本大幅降低。于是,钇钡铜氧这一族系的超导材料研究,在当时掀起一股研究热潮。1993年时最高达到了标准大气压下138K的纪录。

在相当一段时间内,钇钡铜氧族系几乎成了高温超导的代名词。直到2008年,日本研究者率先发现了以铁元素为主要成分的超导材料,并很快探索到了55K的转变温度,此时人们才意识到高温超导现象竟然在性质迥异的不同材料中如此广泛的存在。常温下表现为绝缘体和普通导体的材料,都有可能在低温下超导。另外,纳米碳管和石墨烯等超导材料的出现,也使蒙在超导现象之上的面纱变得越来越神秘,逼得理论研究者甚至开始动用Ads/CFT对偶这样的理论工具来尝试解释[4] 。

但是毕竟没有可行的理论指导,常压下继续摸索提高转变温度的努力变得越来越困难。要想继续提高温度,最容易想到的办法就是增加压强。压强等于能量密度,而温度则对应其中动能的密度。所以,高压常温也好,常压低温也罢,都是尽量消除动能在总能量中的占比,某种意义上说具有相同的性质。虽然这条路径似乎有“靠篡改单位制来提高读数”的嫌疑,但即使抛开温度结论的公平性和可比性,这类研究本身确实可以从另一个之前被忽略的角度继续探索超导现象背后的物理实质。

2014年,我国吉林大学的马琰铭研究组首次预言H2S在160 万个大气压有80K左右的超导电性,吉林大学的另一团队崔田研究组预言H2S-H2化合物在高压下可能实现101-204K的高温超导[5]。 次年一个德国团队就通过实验验证了这两个预言,在150GPa压强下,发现了硫化氢的超导转变温度可以达到203K[6] 。随后一些研究者对这个新的族系和方向进行了跟进研究,并在当时就认为这一成绩仍有很大的进步空间。在富氢材料方面我国的研究者成果颇丰,预言了更多在高温高压条件下氢化物超导的存在,例如CaH6、GaH3、SnH4、Si2H6、PH3等。2015年北京理工大学姚裕贵研究组通过第一原理证明用少量磷取代部分硫原子,完全可以实现250GPa下280K的目标[7]。

此后的一系列实验果然见证了快速提升的转变温度,直到最近前文提到的2019年那次200GPa压强下260~280K超导的镧化氢,以及刚刚发表的267GPa压强下288K超导的碳氢硫混合物。

值得一提的是,这些欧洲、美国和澳洲实验团队取得的成果,大部分都源发自中国研究团队的理论预言,我国在超导领域的研究一直处于比较领先的水平。这种优势早在90年代主流研究常压下钇钡铜氧族系时就已经打下基础,现在高压室温超导的研究中则在进一步巩固增强。2015年《自然》杂志撰写文章介绍该领域首个重要成果时,一共采访了4个研究团队,其中3个来自中国,1个来自美国。

对于此次发现,《返朴》邀请到中国科学院物理研究所孙力玲研究员进行了采访。来看看她如何看待此次发现。

返朴:对于最近报道267 GPa下288K超导体的结果,您如何看待其主要意义和重要性?实现超导需要如此高压似乎没有直接的应用前景,那么对于我们认识物质世界又有何帮助?

孙:最近在氢化物中发现的开氏温度为288 K的超导转变,其转变温度相当于摄氏温度15度,已达室温。尽管文章没能给出具体的化学组分和晶体结构,但较详细地描述了该超导体是由C-S-H三种元素构成,以及样品的制备工艺。这为其他课题组通过实验证实这种室温超导现象提供了重要的信息。如果其他组的实验能够得到同样的结果,那么Nature此次报道的发现将是超导研究领域具有里程碑意义的工作,因为这是第一个在室温下发现的超导体,与1987年发现的液氮温区铜氧化物超导体的影响相似,将会对人们对超导电性的理解产生巨大的冲击。

由于这是在267 GPa下才能存在的超导电性,目前来看需要超导体在这样高的压力条件下工作的环境还很难例举。但是在天体物理研究方面,对有些行星中可能存在类似富氢化合物超导体的研究与认识可能会有所帮助。

返朴:自2014年以来新提出的超高压硫化氢这一族系研究方向,与先前的超导研究相比,有哪些特殊的目的和意义?现在研究进展如何?

孙:自2014年以来新提出的超高压硫化氢等氢化物的研究是基于六十年代美国康奈尔大学Ashcroft教授提出的“若氢实现金属化,它可能是一种室温超导体”,因而金属氢多年来被誉为高压物理研究的“皇冠“。在全球范围内为数不多的几个研究组都曾对这项研究做出过努力,包括美国卡内基研究院地球物理实验室的毛河光先生研究组、哈佛大学的Silvera教授研究组、 康奈尔大学的Ruoff教授研究组等(本人曾在Ruoff教授研究组做了三年多的金属氢及富氢化合物的研究)。

后来,在2003年前后Ashcroft教授又提出了富氢的氢化物可能在压力下更容易实现金属化。在这样的背景下,中国科学家提出了对硫化氢高压超导电性的理论预测。这些研究的目的在于最终在实验上实现金属氢或富氢化合物的金属化,并探索其可能存在的室温超导电性。

返朴:目前国内的相关理论研究和实验进展情况如何?我们发现在高温超导领域中很多结论都是先由中国研究团队提出理论预言,之后来自欧洲、美国和其他国家的实验团队再跟进验证。是否说明我国在这个领域已经达到引领全球的水平?同时,为什么国内的实验验证工作相对较少发声?

孙:的确,在理论研究方面中国科学家最早预测了硫化氢中可能存在的高温超导电性,但在实验研究方面由于开展这方面实验研究的“门槛较高”,在实验技术方面难度很大。这类超高压实验是在金刚石对顶压砧中实现的,要想使压砧中样品上获得200 GPa以上的压力, 通常情况下,样品尺寸仅为10-20微米左右。对于这样小的样品,研究人员需要进行判断超导电性存在的零电阻和抗磁(迈斯纳效应)测量,在技术上极具挑战性。事实上具有能力开展这种实验的研究组很少。

近年来,国内有几个研究组已具备能够开展这类研究的技术条件,我认为不久很可能会有一些相关研究结果出现。我相信通过进一步深入系统地研究最终会获得这种超导体的化学组分、晶体结构、电子结构与超导电性,及其关联性等更完整的信息,进而实现对这种室温超导现象本质的准确理解。

孙力玲,现任中国科学院物理研究所研究员,博士生导师。美国物理学会会士。主要研究方向:高压-低温-磁场条件下超导及其它电子关联系统的物态及物性的研究;超导及其它先进材料的高温高压合成。

参考文献与注释

[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年笔者还在北大物理系读本科的时候,班上就有个同学真切地观测到了250K的转变温度,而当时的公认世界纪录在140K以下。起初我们都以为他可能马上迎来人生高光时刻,然而仅隔了一段饭的时间,那块始终没有离开玻璃罩的材料就莫名其妙地变成绝缘陶瓷状态,再也没有展露出丝毫超导迹象。后来他把这事汇报给负责高温超导实验室的A老师,A老师淡然地示意他不要大惊小怪,还嘱咐他不要再向另外一位B老师汇报了,因为B老师已经被这种事搞得快抑郁了。

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

[5] 罗会仟. 超导"小时代"之三十六压力山大更超导[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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