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'压力淬火' 提升了室温超导实用化的希望

目前最高温度的超导性只能在巨大的压力下工作。但一项新技术旨在使其在常压下成为可能,从而提高了零电阻能源供应、交通系统等领域的应用前景。

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图片来源:ktsdesign/Shutterstock

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去年,罗切斯特大学的物理学家在15摄氏度左右的碳质硫化氢样品中实现了室温超导性。

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但同时也存在一个问题:该演示是在巨大的压力下进行的——267吉帕,约等于地心压力的三分之二。研究人员在金刚石压砧内部的微量材料中实现了这一点,金刚石压砧以令人难以置信的力将内容物压碎。这些力允许形成新的奇异晶格结构,有时甚至形成新的分子,正是这些使得超导成为可能。

这些材料不容易被利用。超导体允许电流无阻碍地流动,因此效率极高。材料科学家的梦想是,室温超导体将彻底改变从电力供应到磁悬浮交通系统再到高性能超级计算机的一切。但如果需要巨大的压力,实现这些梦想的前景似乎就遥不可及了。

因此,材料科学家们迫切希望找到一种在常压下实现室温超导的方法。现在,德克萨斯州休斯顿大学的梁子邓(Liangzi Deng)及其同事认为他们找到了方法。他们的想法是找到一种方法,即使在释放压力后也能保持使超导成为可能的奇异晶格结构和分子。他们已经有了第一个证据表明这种方法有效。

过冷

材料及其相在特定条件下形成,并在其他条件下保持稳定的想法相对普遍。例如,水通常在0摄氏度下结冰。但如果水中没有可供冰晶形核的杂质,冰的形成过程就无法开始。在这些条件下,水可以保持液态,直到接近-50摄氏度。

这提出了一个可能性,即类似的方法可以允许室温超导体在高压下形成,并在低压下保持稳定。

现在,邓及其同事已经对硒化铁(FeSe)进行了测试,硒化铁在常压下在9开尔文(-264摄氏度)时成为超导体。

邓等人将压力提高到4吉帕(约等于大气压的4000倍),并发现他们可以将临界超导温度提高到近40开尔文。通常,温度的升高会破坏材料中的特殊超导相。但额外的压力使它们保持稳定。

压力猝灭

他们的突破在于找到了一种在保持这些超导相稳定的同时释放压力的方法。诀窍在于在精心选择的压力和温度下释放力,以防止超导相再次变为普通导体。这类似于在没有形核点的情况下冷却水以防止其结冰。

该团队表示,这种“压力猝灭”过程允许硒化铁在常压下以37开尔文的温度实现超导。更有趣的是,他们发现某些其他材料相可以在300开尔文(室温)下保持稳定至少七天。

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他们说:“这些观察结果表明,最近报道的在近300吉帕的氢化物中实现的室温超导性可能在无压条件下得以保持,从而使超导性的普遍应用成为可能。”

这项有趣的研究表明,在不久的将来,在常压下实现室温超导性是可能的。世界各地的实验室将毫不犹豫地尝试测试这一想法。最先实现这一目标的团队将有许多值得夸耀的成就。

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参考:arxiv.org/abs/2104.05662

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