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《Nature》重磅:研究人员创造的15℃室温超导材料,有何神奇之处?

时间:2020-10-17 23:30:28 作者:材料科学与工程 阅读:
本周最新一期《自然》封面,介绍了罗彻斯特大学发表的一篇重磅论文,研究人员创造出一种氢化物材料,首次在高达 15 摄氏度的温度下,观察到常温超导现象。这是高温超导材料的全新记录,这一突破性进展也代表着,人类向着长久以来希望创造出具有最优效率电力系统的目标又迈近了一步。
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1911年,荷兰莱顿大学的卡末林-昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流,从而产生超强磁场。

为了使超导材料有实用性,人们开始了探索高温超导的历程,从1911年至1986年,超导温度由水银的4.2K提高到23.22K(0K=-273.15℃;K开尔文温标,起点为绝对零度)。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K,12月30日,又将这一纪录刷新为40.2K,1987年1月升至43K,不久又升至46K和53K,现了98K超导体。之前报道最高为250K,即-23摄氏度。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船,由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行,这将大大提高它们的速度和安静性,并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承,将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验,1987年开始,日本开始试运行,但经常出现失效现象,出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航,目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍,但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。但是目前超导材料实现的温度都很低,难以实现室温超导,因此其应用也受到了极大限制,但科学家们从未停止探索!

近日,美国罗彻斯特大学Ranga P. Dias教授团队报道了光化学转变的碳质硫氢化物体系中的超导性,压力为267 GPa时,最高超导转变温度为287.7K(约15摄氏度)。在金刚石砧槽中,在较宽的压力范围内观察到了超导状态(压力从140~275 GPa变化时,转变温度在220 GPa以上急剧上升)。虽然实现该室温超导需要高压,但研究人员表示,通过在三元体系中引入化学调谐可以在较低的压力下保持室温超导性能。这项研究工作以“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。                   

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

图1. 高压下C–S-H体系中的超导性测试

图2. 在外部磁场下的磁化率和超导转变表征

图3 压力诱导下C+S+H2混合物的光化学产物的拉曼变化

室温超导材料一直是百年来科学家在不断攀登的珠穆朗玛峰,其具有极大的潜在应用价值,超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗,而利用超导体则可最大限度地降低损耗,但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段,从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展,新超导材料的不断涌现,超导输电的希望能在不久的将来得以实现。这项研究刷新了室温超导材料的世界纪录,极大推动了室温超导材料的研究进程!(文:one end)

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。

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