超导体的应用 轰动物理界！首个室温超导体问世 为它废了几十颗钻石

一项新记录轰动了今天的整个物理世界。

15℃时，可以观察到超导性！

这是罗切斯特大学的最新研究。他们设计了一种新的氢化物，这种氢化物可以在如此“高温”下毫无阻力地导电。

科学家们发现，这种由氢-硫-碳组成的材料，在室温15℃的条件下，在巨大的压力下，可以转变成超导体。

这也是人类发现的第一个室温超导体。

今天《自然》也以封面的形式对此进行报道，意义重大。

西班牙巴斯克地区大学的凝聚态理论学家Ion Errea说:“这是首次真正宣称室温超导。”

剑桥大学的材料科学家克里斯·皮卡德评论说:“这显然是一个里程碑。”

第一个室温超导体

罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起，然后在超高压下重组整个混合物。

他们选择了硫化氢和甲烷，把它们和铂电极一起放在金刚石砧上。

钻石砧是两颗“点对点”的钻石，可以在它们之间产生巨大的压力，可以达到数百万个大气压。

当压力超过40000个大气压时，研究人员用绿色激光照射它几个小时，打破硫硫键，从而形成硫氢化合物。

在175万个大气压下，当样品冷却到-93℃时会发生超导转变..如果压强继续增大，超导转变的临界温度会继续升高。

当达到267万个大气压时，只需将样品降至15°C，电阻就会消失。

除了零电阻，科学家还发现了超导的其他证据。比如在转变温度下，这种物质屏蔽了磁场，这是超导体的一个重要特征。

为了找到这种室温超导化合物，他们用了几十对金刚石砧，每对售价3000美元。该论文的通讯作者兰加·迪亚斯说:“我们研究的最大问题是钻石预算。”

金刚石砧产生的超导材料量很少，大约是单个喷墨粒子的大小。而且这种超导材料不够稳定，放一夜就会分解。

超高压条件和不稳定的性质意味着这种室温超导体很难有实际的性质，但它是人类发现的第一种室温超导体，是100多年来探索超导体的里程碑。

广泛使用的超导体

超导体是指在一定温度以下电阻为零的导体。

100多年前，荷兰物理学家阿格尼丝发现了超导性。当他把水银降到4.2K时，发现水银的电阻突然消失了，于是他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

除了“零电阻”，它还具有“完全抗磁性”和“磁通量量子化”的特性。

完全抗磁性，又称迈斯纳效应，可以使超导体内部的磁感应强度为零，超导体排斥其内部的磁场。这个特性最大的用途是用于磁悬浮。

磁通量量子化，也称约瑟夫森效应，是指当两个超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以通过绝缘层产生隧道电流的现象。

超导体中磁通量的量子化可以用来制造超导计算机。

除了这些高大的设备，超导体也是我们日常生活中不可缺少的，比如医院的MRI，手机信号基站也需要超导体来制作滤波器。

然而，超导体的低温限制已经成为阻碍其应用的最大限制。

直到1987年，美籍华人物理学家朱经武在液氮温区发现了“高温超导体”Y、Ba、Cu、O，超导体才得到广泛应用。

但是科学家们希望找到一种不需要冷却就可以在室温下使用的超导体。

这就是为什么这一发现引起了如此大的反响——这是科学家们几十年来一直在寻找的超导体，提高温度意味着不需要复杂的冷却设备。

要知道，这项研究比去年的最新进展高出30多摄氏度。

除了高温的限制，还有高压。

超导体只能在极高的压力下存活，相当于接近地球中心的压力，是马里亚纳海沟的40倍。

所以如作者所说，这意味着它不会有任何直接的实际应用。

然而，物理学家仍然希望这种超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路。

五年追逐梦想成真

五年前德国物理学家的发现为寻找室温超导体打开了大门。

要知道氢-硫-碳为什么会成为室温超导体，我们先来介绍一下超导的原理。

正常情况下，电子是作为个体运动的，与原子碰撞时会产生阻力。

在超导体中，两个电子成对形成所谓的库珀对。电子一旦伴随，就会以量子液体的形式不受阻碍地通过导体，电阻就完全消失了。

库珀的形成可以理解为:

当带正电荷的原子被电子吸引时，它们会聚集在一起。如果这里多一点正电荷，自然会吸引其他电子，这两个电子就成对了。

显然，原子质量越重，越难被电子吸引，电子越难形成库珀对。因此，科学家们把目光投向了最轻的原子——氢。

但问题是固体氢在常压下没有自由电子。只有高压改变固体氢的结构，氢释放电子，才能形成库珀对。这时，氢变成金属态——金属氢。

△木星内部可能存在金属氢

1968年，康奈尔大学的物理学家尼尔·阿什克罗夫特预测，金属氢在室温下应该是超导体。

但是将金属氢转化为超导体所需的压力太大，在现有的实验室条件下很难实现，但木星可能满足这样的条件。

△科学家用高压制备金属氢

2017年，哈佛大学的科学家在实验室里生产了金属氢，但压力不足以将其转化为超导体。

阿什克罗夫特把希望寄托在富氢化合物上，这种化合物可以在稍低的压力下成为超导体。

但是加多少氢是个技术活。如果加入的太少，这种化合物就不会像金属氢一样具有超导性。如果加入太多，复合超导所需的压力太高，实验室很难达到。

最后，在2015年，德国科学家Eremets发现一种由氢和硫组成的化合物在-70℃转变成超导体。

2018年，同一个Eremets团队在冰箱温度下发现了超导体氢化镧，它在-23℃和170万个大气压下变成了超导体。