《Nature》重磅：研究人員創造的15℃室溫超導材料，有何神奇之處？

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林-昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失；后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡末林稱之為超導態。卡茂林由于他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。人們把處于超導狀態的導體稱之為“超導體”。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。

為了使超導材料有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標，起點為絕對零度）。1986年1月發現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，現了98K超導體。之前報道最高為250K，即-23攝氏度。

超導材料和超導技術有著廣闊的應用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以用此原理制造超導列車和超導船，由于這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態下運行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機械磨損。利用超導懸浮可制造無磨損軸承，將軸承轉速提高到每分鐘10萬轉以上。超導列車已于70年代成功地進行了載人可行性試驗，1987年開始，日本開始試運行，但經常出現失效現象，出現這種現象可能是由于高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料制造交通工具在技術上還存在一定的障礙，但它勢必會引發交通工具革命的一次浪潮。但是目前超導材料實現的溫度都很低，難以實現室溫超導，因此其應用也受到了極大限制，但科學家們從未停止探索！

近日，美國羅徹斯特大學Ranga P. Dias教授團隊報道了光化學轉變的碳質硫氫化物體系中的超導性，壓力為267 GPa時，最高超導轉變溫度為287.7K(約15攝氏度)。在金剛石砧槽中，在較寬的壓力范圍內觀察到了超導狀態（壓力從140~275 GPa變化時，轉變溫度在220 GPa以上急劇上升）。雖然實現該室溫超導需要高壓，但研究人員表示，通過在三元體系中引入化學調諧可以在較低的壓力下保持室溫超導性能。這項研究工作以“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。                   

論文鏈接：

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

圖1. 高壓下C–S-H體系中的超導性測試

圖2. 在外部磁場下的磁化率和超導轉變表征

圖3 壓力誘導下C+S+H2混合物的光化學產物的拉曼變化

室溫超導材料一直是百年來科學家在不斷攀登的珠穆朗瑪峰，其具有極大的潛在應用價值，超導材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段，從而限制了超導輸電的采用。隨著技術的發展，新超導材料的不斷涌現，超導輸電的希望能在不久的將來得以實現。這項研究刷新了室溫超導材料的世界紀錄，極大推動了室溫超導材料的研究進程！（文：one end）

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。