超导研究突破:在15℃ 观测到超导现象

超导体的神奇性质,一向只有在零下数十或数百度才会现身。就在今年十月,科学家首次在摄氏15 度的环境下观察到超导现象,打破了先前的纪录(零下23℃)。在寻求室温超导的世纪大业中,写下新的篇章。

超导体是什么?

一般金属导体(例如铜、银)的电阻会随着温度下降而变小,不过即使在接近绝对零度时,还是会存在一点点的电阻。人们在1911 年时发现,有些特定的材料被冷却到一个程度后电阻会骤降为零,也就是超导现象。这时就算不提供任何电压,超导体也能稳定的维持电流流动,流到天荒地老。实验上,超导体已经成功让电流跑了25年,并持续增加中。

除了零电阻之外,超导体的另一项特异功能是完美的抗磁性。一般来说,磁力的影响可以穿透物质,所以磁铁才能将海报黏在黑板上。不过超导体会将所有意图通过的磁力线拒于门外,磁力线被迫绕过超导体,使其内部磁场等于零,此为所谓的迈斯纳效应(Meissner Effect)。如果将一小块磁铁放在超导体上方,便可以看到它因为排斥的磁力悬浮在空中。

磁铁悬浮
悬浮磁铁。

怎么还没应用在生活中?

超导体的这些梦幻性质能够全面革新世界的样貌,从磁浮技术,资料传输,到零耗损电力网,都将不再是梦想。然而从1911 年到现在,这些科幻片中的场景仍未实现,因为超导性质只有在材料低于特定的临界温度才会出现,而在实验上,这个临界温度通常约零下两百多度。

低温超导
过往,超导现象只发生在极低温的环境。

要将材料保存在如此低温的环境可是所费不赀,任何的大型产业应用也因此难以实现,因此,研究能在较高温度,甚至在常温下具备超导特性的材料,就显得格外重要。

尚未理解的高温超导机制

过往的超导体理论,是透过原子晶格与电子间的交互作用来解释超导体的存在,在这种解释下,物质只会在接近绝对零度、原子的热扰动极小时,产生超导现象。这种理论只能解释传统低温超导体的机制,对于临界温度较高的高温超导体,虽然可以在实验上观察到,但至今仍没有一个公认的理论模型可以解释。因此,关于高温超导的实验与理论,便成为目前科学界努力寻求的大秘宝。

根据一些初步的模型预测,氢分子或许是个潜力股。不过一般的气态氢是绝缘体,而金属氢需要极大的压力才能合成。因此近期常见的尝试方向是富含氢原子的金属物质,例如在2015 年创下临界温度纪录的硫化氢(-70℃),以及将这个纪录打破的十氢化镧(-23℃)。

超导特性出现在常温15℃!

罗切斯特大学的实验团队在今年利用碳、氢和硫元素,合成出含有碳质的硫化氢(carbonaceous sulphur hydride),并观察它的超导特性。一块小小的样本被钻石压砧夹住,并施予270 GPa 的压力。在这样的条件下,超导体特有的零电阻与抗磁性在惊人的15℃ 便突然现身。

当然,这样的实验成果距离实际的日常应用还有一段距离。碳质氢化硫样本只有几微米大,而钻石压砧所施加的压力也只比地核内部压力少一点。研究团队接下来计画持续调整样本的化学配方,只要配方对了,他们相信正常压力下的室温超导体应该指日可待。

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