并采用激光加热进行高压合成的技术
作者:admin 发布时间:2019-02-27 10:52

  自1911年超导体被人类首次发现以来,寻找能在室温条件下达到超导态的材料一直是众多科学家竞相追逐的目标。

  超导体零电阻或完全抗磁性的属性,往往要在非常低的温度条件下(比如-138℃甚至更低)才可实现。因此只有将超导体的转变温度提升至室温,才意味着超导体有望实现广泛应用。

  现在,已经有科学家让超导体转变温度提升至近室温。来自美国乔治华盛顿大学的地球物理学家Russell Hemley在2018年8月公开的研究显示,其团队合成的氢化镧(LaH10)超导转变温度为260K(约-13.15℃),相关论文即将在《物理评论快报》上发表。

  但美中不足的是,Hemley等人的实验需要在200GPa的超强压力下进行,且这种化合物的超导特性有待进一步验证。

  在高压条件下,物质的原子间距可以被缩小,一些在常压条件下难以存在的物质也有可能被合成。

  2017年,中国吉林大学物理学院教授马琰铭等人曾在《物理评论快报》上发表文章,预测出高压条件下具有笼状结构的稀土富氢化合物可能具有接近室温的超导转变温度,即在较高温度下实现超导。

  “在常压条件下,镧和氢的化合物一般只有2价或3价,只有在高压条件下,才能合成出LaH10这种化合物。”马琰铭告诉《中国科学报》。

  在芝加哥阿贡国家实验室,Hemley等人将一块体积非常小的金属镧放到金刚石对顶压砧(DAC)中,让其与氢在高温高压下进行反应,从而合成出LaH10,并通过X射线衍射确定了这种超导体的化学式和晶体结构。

  中国科学院物理所研究员孙力玲表示,Hemley等人的实验,实现了高达200万大气压的压力,并采用激光加热进行高压合成的技术,“非常具有挑战性”。

  Eremets等人还曾经于2014年报告了另一种含有氢元素的超导材料硫化氢,能在-83℃条件下实现超导转变,这在当时是超导转变温度的最高纪录。

  “Hemley和Eremets团队长期从事超高压力下的物性测量,有很强的技术基础实现这些超高压研究突破。在超导研究中取得的上述成就,应该说是长期技术积累的结果。”孙力玲说。

  超导体有两个基本特征:零电阻和完全抗磁性(迈斯纳效应)。只有验证了物质同时具备这两个特征,才能确认其是超导体。虽然Hemley等人在研究中观测到了电阻突然下降,但并不能完全等同于零电阻。此外,Hemley和Eremets两个团队都还需要开展抗磁性实验,而这一实验的难度更大。

  “因为观测物质的抗磁性需要一定的样品体积,在接近200GPa超高压下的DAC中,样品可能只有一两个微米厚,这样小的样品抗磁信号很可能低于磁探测设备的极限,因此难以探测到迈斯纳效应。”中国科学院物理所研究员程金光告诉记者。

  现在看来,LaH10需要在非常高的压力下才能合成,但检测其是否具备超导体的特性也恰恰因超高的压力环境而未能实现。但这实际上已经是科学家“妥协”的结果。

  1968年,美国康奈尔大学的物理学家Neil Ashcroft曾依据常规超导体微观理论(BCS),预言金属氢能在室温条件下实现超导转变。但金属氢的制备需要极高的压力环境,甚至高达500GPa,于是科学家就将思路转变为制备含氢量较高的化合物。

  “富氢化合物实现高温超导的关键就是让氢与氢之间形成共价键网络。”程金光解释道。以Hemley等人的实验为例,在200GPa条件下合成的LaH10,其结构是许多氢原子以共价键的形式组成笼状结构,将一个镧原子包围在中央。

  虽然与直接制备金属氢相比,压力已经低了许多,但若想将这样的研究结果直接应用于现实生活还很困难。科学家也在探索如何在相对低压的条件下,进行一些富氢化合物的合成。

  物理学家在极端条件下找到超导转变温度接近室温的物质,意义何在?程金光表示,在高压条件下的研究能为常压环境下的超导材料的探索合成与性能优化提供指导。

  “如果在常压下使用化学压力代替物理压力,有可能进一步提高超导转变温度;是否能够在相对低的压力下合成出类似于LaH10的高度富氢化合物并稳定到常压环境下,是一项非常具有挑战性的课题。”程金光表示。但Hemley和Eremets等科学家的实验则意味着,寻找室温超导材料向前迈进了更现实的一步。

  在高温高压状态下合成的亚稳态物质,能否在常温常压下维持原状?“对富氢化合物的压致超导相能否保留至室温的问题,理论上曾有乐观的预测,但实验上还需要进一步的努力来证实。”孙力玲表示。

  “Hemley和Eremets等人的研究成果推动了超导研究领域的发展,”孙力玲告诉《中国科学报》,“科学实验研究结果对理论认识具有重要的启发和引导作用,如果他们的工作能被进一步的抗磁实验研究证实,就能为深入、准确理解超导机理提供新的实验证据,进而对超导新材料的探索乃至实现能够应用的室温超导体具有重要的指导意义。”

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