人类首次实现室温超导,同行们为何评价不一?-深度-知识分子

人类首次实现室温超导,同行们为何评价不一?

4天前
导读
15摄氏度,267万个大气压的压强。

超导实验室 图片版权归属Adam Fenster


引   言

昨日,《自然》杂志发表封面文章:人类第一次实现室温超导。对此,有人欢呼,有人评价不高。同行们为何意见不一?


撰文|王一苇

责编 | 陈晓雪

 
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2020年10月14日,一篇关于室温超导的论文登上了《自然》Nature封面,引发轰动。论文显示,研究人员观察到一种氢化物材料在超高压下产生了室温超导现象,实现温度在15摄氏度左右。

 

“从来没有人预言过这个方法(This system has not been predicted)!” 论文通讯作者、罗切斯特大学机械工程系副教授 Ranga Dias 在回复《知识分子》邮件时表示,“我们相信它会打开预测高温超导材料研究的新途径。”

 

多位同行对于这一发现给予了高度评价,认为这是人类第一次发现室温超导现象,是 “一个里程碑”。亦有专家表示,该实验仍是在约3/4地心压力的超高压条件下实现,实际应用意义不大,而研究本身创新性亦不强。

 

论文显示,来自美国罗切斯特大学(University of Rochester)和内华达大学(University of Nevada)等机构的研究团队,将微量含碳、硫、氢元素的样本放在一个压力仪器中,不断增加压强,合成了一种氢化物,并在267个GPA(吉帕斯卡,即267万个大气压)的压强下,在15摄氏度左右观察到该化合物内的电阻消失。

 

实验中使用的压力仪器只有一颗西梅般大小,叫做 “金刚石对顶砧”,由尖端磨平的两块金刚石相对构成,拧紧螺丝时两块金刚石对中间的样本施加压力,压强可达几百万个大气压。

 

超导实验中使用的钻石砧示意图 版权归属Michael Osadciw

 

研究者先在4万个大气压下用激光照射样本几个小时,破坏硫-硫键以形成硫-氢化合物,他们称这一过程为 “光化学合成法”。

 

接着,研究者在实验中逐渐增大压强。在140万到275万个大气压这个区间里,他们观察到了样本的超导性。而不断加压的过程中,样本超导转变的临界温度也不断提高。到了220万个大气压以上,临界温度则开始骤然提高。最终,在267万个大气压下,样本的临界温度达到了接近秋日室温的15度。

 
              

实验中压强与临界温度的关系,图源论文正文

 

研究者通过光谱学技术测到了化合物的存在,且观察到了高压和临界温度下该化合物产生抗磁性,但并不清楚化合物本身的结构。[1]

 

“我们打开了一个全新领域”,论文合作作者、内华达大学助理教授 Ashkan Salamat 在接受《自然》杂志访问时说。[2] 领域内的专家也称赞了这一成果。犹他大学物理学副教授 Shanti Deemyad 告诉《纽约时报》,“该研究非常稳健,完成得非常漂亮。” [3] 剑桥大学材料学教授 Chris Pickard 则对《科学》杂志表示,这项研究是 “一个里程碑”。[4]

 

Dias表示,前述实验过程中采用的 “光化学合成法” 是本次研究的创新之处,之前从未用在此类高压实验中,“这是引甲烷和硫化氢进入初始材料的关键,为实现非凡特性引入刚好 ‘恰当’ 数量的氢原子”,他说。

 

超导现象指电流能够在材料中零电阻运动,通常需要将材料降温到某一临界温度以下才能实现。自20世纪初发现超导现象到80年代,40K(零下233摄氏度)是公认常规超导体的临界温度上限。1986年和2008年,铜氧化物高温超导体和铁基超导体的相继发现,将超导的临界温度提升到了100K(零下173摄氏度)以上,但相对而言温度仍然很低,大规模实用化受限。

 

超导体具有零电阻和完全抗磁性,可以节约输电过程中的热损耗,甚至在较小的空间内实现强磁场,发展安全高速的磁悬浮列车等。如果能实现贴近我们日常使用场景的高温超导,也就是室温超导,意味着非常广阔的实际应用。

 

对于这一超高压下的室温超导,也有学者表示其创新性一般。

 

“这是一个进展,但不是一个特别激动人心的进展。”长期研究超导材料的中国科学院物理研究所副研究员罗会仟在接受《知识分子》采访时评论说。

 

他介绍,去年已有类似实验实现了镧-氢材料在260K(约零下13摄氏度)的超导,此次的实验仅仅将260K提高到288K(约15摄氏度),无论实验思路和技术都没有新意。“为什么大家愿意关注它,因为这个论文的标题写了常温超导,大家心目中室温的指标是300K(约27摄氏度),已经很接近了。心里有个愿景,很靠近的时候就觉得很重要。”

 

另外,罗会仟表示,此次实验使用的氢化物材料并非独创。早在2015年,德国物理学家米哈伊尔·埃雷梅茨(Mikhail Eremets)团队宣布,硫化氢在220万个大气压的条件下,在203K(约零下70摄氏度)会出现超导电性。在《纽约时报》10月14日的采访中,Dias 也表示,埃雷梅茨的这项研究是 “改变游戏规则的奠基之作(the game-changing paper that sort of set the tone)”。[3]

 

2019年,埃雷梅茨再次宣布,镧-氢化合物(LaHx)在150万个大气压下可以在215K(零下58摄氏度左右)变成超导。同年,美国科学家马杜里·索马亚祖鲁(Maddury Somayazulu)团队实现了190 万个大气压下镧-氢化合物LaH10在260K出现超导电性。罗会仟介绍,其所在的中科院物理所也在本月重复了这一结果,并改进了方法。

 

埃雷梅茨也对此次论文的工作给出了评论,认为其提供了 “高温超导的有力证据”,也证明了他自2015年开始的一系列研究的正确性。[2] 但他同时表示,压强越大,能得到的样本量就越少,目前连所得化合物的结构和化学式都不清楚,“要做的事情还有很多。”

 

此次实验中,研究者向硫化氢和氢气混合材料中加入甲烷,引入了碳元素。罗会仟表示,此次实验中碳元素的加入确实提高了温度,但并非独家创新。“大家早就意识到,往里面加新元素等可能提高到一个更高的温度,理论上也都算过,只是实验实践起来比较困难。”

 

罗会仟说,高压下,此类实验的操作和测量困难都非常大,一般此类实验得到的数据质量都不太好。“怎么把原料装进样品,怎么合成这个结构的材料,怎么在高压下测量电磁特性,都是非常困难的。”

 

但据他观察,此次实验的数据质量非常好。“不仅有电阻数据、磁化数据、Raman 光谱数据,这么高压力下能做的测量几乎都做了,数据有点出奇得好。” 他提到,索马亚祖鲁团队今年6月份已经宣布在镧-氢化合物中加入氮和硼元素,使临界温度达到550K(约276摄氏度),远远高于此次报道的超导温度,但其数据质量没有那么好,所以至今尚未正式发表。

 

2017年,Dias 还在哈佛任博士后时,曾与导师 Isaac Silvera 发表论文,宣称制备出了金属氢,一种高温超导体。但该实验遭到了多位同行学者的质疑,[5] 目前并未有研究者能够重复该实验的结果,而 Silvera 和 Dias 在论文发表一个月后表示,其制备的金属氢在一次实验事故中消失了。[6]

 

Dias就此回应,团队研究该方向多年,“使我们能够测量如此高质量的数据并提供令人信服的测量的部分原因是,主要的材料合成都是在非常低的压力下进行的,而其他方法需要在非常高的压力和温度下进行(这是非常不受控制的)。”

 

他还表示,实验的重复性很好,团队已多次重复。

 

中科院高能物理研究所研究员徐庆金则评论:“这项成果对研究超导机理来说可能具有一定意义,但对于应用来说,材料制备或使用过程中,需要如此高压环境,其难度及经济成本要比获取低温条件高昂得多!理想的实用化超导材料,需要临界温度及压力等都接近自然条件,才能大幅度降低成本、拓展其应用范围。单纯追求临界温度接近室温,但反而需要与低温相比难度及代价更高的极端压力条件,这样的超导材料,没有实际的应用价值。”

 

徐庆金表示,“这次研究人员创造出的常温超导材料,是在2670亿帕压力条件下实现的,这一压力目前只能在接近地球中心的极高压力下存在,而且,他们在金刚石压腔中产生超导现象的材料数量,是及其微量的,只能用皮升来表示(1 皮升大约是 10-9毫升),这都意味着这一材料不会立即有任何实际应用。” 而在 Science 杂志10月14日的报道中,加州大学圣地亚哥分校教授 Brian Maple 也表达了相似的观点。[4]


Dias 则认为,自己团队研究的意义不止于此。“这是在室温下首次实现这种量子态,在三元混合态下的实现也是主流理论的重大突破。” Dias说,“在科学社区共同寻找降低室温超导压力的过程中,我们的工作凭空而出(our work has come completely out of the blue),并在成分领域中开辟了广阔的新前景。我们希望这对于那些寻求超高温超导材料的人来说是一个惊喜。 

 参考链接(可上下滑动浏览)

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0
[3]https://www.nytimes.com/2020/10/14/science/superconductor-room-temperature.html
[4]https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achieved
[5]https://www.nytimes.com/2017/01/26/science/solid-metallic-hydrogen-harvard-physicists.html
[6]https://www.thecrimson.com/article/2017/3/7/metallic-hydrogen-lost/


制版编辑 卢卡斯
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