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德国科学家再次刷新高温超导纪录:零下23摄氏度 比北极暖

2019-01-17 19:32
来源: 澎湃新闻
编辑:东方财富网

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  如果德国马普化学研究所的叶列米特(Mikhail Eremets)12月初提前在预印本网站上披露的论文最终经过同行评议,人类就有了新的高温超导纪录:零下23摄氏度。

  这个温度的微妙之处,在于它其实比此时此刻的北极还要暖。在此基础上,科学家可以进一步追逐超导界的终极梦想:高于零度的室温超导。

  值得一提的是,叶列米特刷新的是他自己的纪录。2015年,叶列米特团队在《自然》杂志上报告了硫化氢的惊人表现:在约 150 万个标准大气压下冷却至零下70摄氏度,硫化氢表现出了超导性。

  这次,叶列米特使用的是170万个标准大气压下的LaH10 (氢化镧 )。

  惊人的不仅是远超其他材料的温度,而是材料本身:氢化物其实是一种传统的超导体材料,可以被现有理论解释。

  在很长时间内,神秘的非常规高温超导体吸引了更多的注意力。叶列米特利用氢化物再下一城,必然会再次掀起理论和实验的波澜。施加更高的压强,氢化物可以实现室温超导吗?

  突破“麦克米兰极限”

  尽管超导在核磁共振、磁悬浮列车、磁约束核聚变和高速计算机方面有着丰富的应用前景,但温度是个“卡脖子”的阻碍。可以说,人类百年超导研究历程,就是一部与温度较劲的历史。

  1911年,制备出液氦的荷兰科学家翁内斯(Onnes)当温度降到4.2K(-269℃)以下时,汞的电阻突然消失。他将此特性命名为超导性,并获得1913年的诺贝尔物理学奖。

  那么,超导现象是如何产生的呢?通常情况下,电子在定向运动时会与金属晶格碰撞,形成电阻。1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论,即具有相反自旋和动量的电子对互相吸引形成库珀对,可以在晶格中无阻碍传输,是超导的机制。临界温度的存在,则是因为较高温度下更强的晶格振动对Cooper对造成破坏。三人也因此荣获1972年的诺贝尔物理学奖。

  美国科学家麦克米兰基于BCS理论计算,认为超导临界温度不太可能超过39K(-234℃),称为“麦克米兰极限”。这个极限温度一度被主流学界接受。

  不过,铜氧化合物超导体在上世纪80年代横空出世,突破了“麦克米兰极限”,超出BCS理论的解释范围。这代表了一类非常规的超导体,其高温超导原理尚不能被完全理解。

  值得一提的是,在这场击败“麦克米兰极限”的战役中,中国科学家曾扮演重要的角色。荣获国家最高科学技术奖的赵忠贤院士,就是国际上最早认识到铜氧化合物超导体重要意义的少数科学家之一。他的团队从1986年底到1987年初,在十分简陋的实验条件下夜以继日工作,终于和国际上少数几个小组几乎同时在镧-钡-铜-氧体系中获得了40K以上的高温超导体。

  在随后的铜基超导体和铁基超导体研究中,中国井喷式的成果也吸引了世界目光。这一度被认为是中国接近诺贝尔奖的领域。

  飞跃50开尔文

  2014年,叶列米特将传统超导体硫化氢的临界温度提高到零下80摄氏度。2015年,他进一步把记录提高了10摄氏度。

  物理学界当时为此掀起了一场理论讨论,试图解释硫化氢超出预期的表现。科学家们最后达成了共识:这依然可以在BSC理论的框架内说通。氢是最轻的元素,硫化氢中的氢离子晶格可以在较高的温度下快速震动,无阻地运送库珀电子对。不过,氢离子晶格同时需要保持坚固的结构,不会“震散架”。

  正因如此,叶列米特的实验都是在高压下完成的:上次的硫化氢是150 万个标准大气压,这次的氢化镧是170个标准大气压。这种程度的压强,在自然界只会出现在地心深处。

  “这次比上次的记录203开尔文飞跃了50开尔文。”叶列米特写道,“这表明在高压下实现室温超导(273开尔文)真的是可能的。”

  叶列米特还需要做一些工作。物理学界判定超导需要三个条件,第一是温度降低后电阻的骤降,第二是替换同位素进行检验。这两条叶列米特的实验都满足了。他把样本中的氢替换为氘后,临界温度降到了168K。

  不过,叶列米特还未能确定第三个标准:迈斯纳效应,指的是超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥。由于实验所用的样本只有几微米,放置在高压金刚石砧胞中,研究人员很难进行测量。

  只有获得这第三个签名,物理学界才能完全承认新的高温超导纪录。

(文章来源:澎湃新闻)

(责任编辑:DF506)

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