-23℃ 實現超導 —— 最近，人類高溫超導記錄被刷新！

2023-03-31 17:24:43

這項突破是由德國馬克斯·普朗克化學研究所的米哈伊爾·埃雷米茨和他的同事們完成的，他們在250K（-23℃）下實現了LaH10（氫化鑭）的超導電性。這個結果使我們非常接近室溫超導電性。  

眾所周知，超導是一種奇特的零電阻現象，即當導電材料的溫度接近絕對零時，在物體分子的熱運動作用下，材料的電阻趨於零。但是，長期以來，制約超導體廣泛應用的主要瓶頸是需要用液氦或液氮冷卻最好的超導體（通常為-250℃）。  

研究人員一直在尋找的聖杯是一種能在0℃左右產生超導性的材料，即室溫超導性。如果這種材料被發現，它將帶來一系列新技術，包括超高速計算機和數據傳輸。  

目前，超導研究的兩個主要方向是發現新的超導材料和從原理上闡明超導現象，其中，在1911-1986年，我們在提高超導體臨界溫度的過程中取得了一些進展，但很難進一步提及。e自那時以來的溫度，此時的數字是23.2K。  

另一方面，約翰·巴丁、利昂·尼爾·庫珀和約翰·羅伯特·施裡弗於1957年提出的BCS超導理論填補了原理探索上的一大空白。根據這一理論，科學家麥克米蘭（McMillan）提出了超導轉變溫度可能存在一個上限，一般認為不超過40K，這是歷史上著名的麥克米蘭上限。  

從那時起，許多科學家開始試圖打破麥克米倫極限，尋找超導溫度超過40K的高溫超導體。  

突破發生在1986年初的時候，兩個歐洲科學家發現的銅氧化物超導體，因為它的高Tc，它能超越極限的麥克米蘭好幾次，它被稱為高溫超導體，但只是超過4萬（233°C），這仍然是從真正的室溫很長的路。  

今天，中國科學院物理研究所也對氧化銅超導體的研究作出了重大貢獻。科學家們在液氮溫度區獨立發現了氧化銅超導體，並首次將其元素組成公布為Ba-Y-Cu-O，高溫超導率在40中國科學院今天出版的《中國科學院對外開放》。  

當然，新的高溫超導理論仍然需要謹慎對待。然而，高溫超導記錄破裂問題值得進一步研究。  

在這個研究的結果中，Er.z和他的同事說他們已經觀察到氫化鑭（LaH10）在250開爾文（-23攝氏度）的超導性，這是一個相對悶熱的溫度。  

這個溫度比現在的北極溫度要暖和得多。我們的研究已經向室溫超導邁出了一大步，研究小組說。應該指出，樣品的超導性必須在高壓下進行，即170吉帕，大約是地心壓力的一半。  

Er.z在這個領域有著相當自豪的研究歷史。早在2014年，他就打破了高溫超導的記錄。當時，他的團隊能夠測量硫化氫在-80攝氏度，比其他被測試材料高10攝氏度的超導率。  

然後，他把這個記錄提高到-70攝氏度，並在2015年8月發表在《自然》雜誌上。研究人員發現，當他們將硫化氫樣品置於極高的壓力（大約150萬大氣壓）下，並將其冷卻到-70℃以下時，硫化氫樣品顯示出典型的超導跡象：零電阻和邁斯納效應。  

這引發了超導研究領域的一波熱潮。華盛頓海軍研究實驗室的IgorMazin將硫化氫的發現描述為超導體的聖杯。  

眾所周知，超導性是由傳統的超導體來解釋的。在傳統的超導體中，正離子的剛性晶格是遊蕩在電子海洋中的正離子的剛性晶格。當電子穿過晶格時，它們與晶格碰撞並減速，從而產生電阻。一定程度上，當晶格變得足夠堅硬，允許機械聲波（或聲子）通過時，這些波動通過擴散使晶格變形。電子可以在這種變形上無障礙地衝浪，形成超導電流。  

事實上，在低溫下，電子結合形成所謂的庫珀對。正是這些庫珀對通過在晶格中衝浪形成超導特性。  

隨著溫度的升高，庫珀對斷裂，超導性停止。發生這種變化的溫度稱為臨界溫度。  

到2014年，這種傳統超導現象的最高臨界溫度約為40K或-230℃。事實上，當時許多物理學家認為，這種超導現象在高溫下是不存在的。  

這就是為什麼Er.z的發現如此特別，因為硫化氫是傳統的超導體，許多人認為不可能在高溫下發揮它的超導性。  

Er.z激發了一場激烈的理論討論來解釋超導是如何發生的。最後的共識是，在硫化氫中，當溫度下降到臨界水平以下時，氫離子形成零電阻晶格來傳輸Cooper對。  

這種現象在高溫下會發生，因為氫氣很輕。這意味著晶格可以在高溫下高速振動。但是晶格也必須牢固地固定在適當的位置以防止振動將其撕裂。這就是為什麼超導只在高壓下工作。  

自那時以來，已經做了大量的理論和計算工作來預測其他材料是否可以在高溫下以同樣的方式產生超導電性。Eremitz和他的同事們一直在研究最有可能的材料是氫化鑭。  

這一發現不僅是Er.z及其團隊的勝利，也是其理論方法的勝利。Er.z及其同事說，這一進展比先前的203K記錄高出大約50K，表明在不久的將來有可能在高壓下獲得室溫超導性(273k)。  

然而，仍然有一些工作要做。工業物理學家需要三個獨立的證據來確保超導確實發生。首先，當溫度下降時，電阻特性降低。Er.z證明了這一點。  

第二個證據是，樣品中的元素可以被較重的同位素取代，這會導致晶格以不同的速率振動，相應地改變臨界溫度。Eremitz和他的同事也有證據表明這一點。他們用氘取代樣品中的氫，發現臨界溫度降至預期的168K。  

第三個證據是梅斯納效應：超導體應該排除任何磁場。Er.z和他的同事們一直在這點上掙扎。儘管他們確實有一些其他的磁性證據，但是他們的樣品非常小——只有幾微米寬，位於高壓金剛石砧中——而且研究人員不能。直接測量。  

如果沒有最後一個特徵，物理學家可能不會完全接受這個結果。但是他們的團隊正在研究第三個證據。  

同時，該研究也開闢了其他顯而易見的途徑，計算模型表明，釔超氫化物在300K以上的室溫下具有超導性（儘管所需的壓力僅在地心區是常見的）。  

因此，一種或其他類型的室溫超導體的出現可能並不遙遠。到那時，我們的問題將是如何充分利用它們。  

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Arxiv.orgabs1812.01561:高壓下氫化鑭在250K下的超導電性