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研究首發現近室溫超導體 可在 15°C 無損耗輸電

2020/10/15 — 16:58

資料圖片,圖片素材來源:Niilo Isotalo @unsplash

資料圖片,圖片素材來源:Niilo Isotalo @unsplash

超導體研究又有新突破。最新刊於《自然》的研究指,首次實現了在室溫下無電阻的電流流動,而該溫度為 15°C ,打破之前「最暖」的有物質出現超導性的記錄。

領導該研究的羅徹斯特大學物理學家 Ranga Dias 表示,由於低溫限制,具有如此卓越性能的材料,並未如許多人想像般可完全改變世界。然而團隊的發現打破這個障礙,並為許多超導體潛在的應用打開大門。

發現可廣泛應用超導體困難

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超導電性於 1911 年首次被發現,並從那時起成為凝聚體物理學 (condensed matter physics) 中一個許多學者熱衷研究的領域。

超導體有兩個關鍵特徵,首先是零電阻。電流往往在通過物質時遇到某種程度的阻力;電導率越高電阻就越小,電流可更自由地流動。

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第二是所謂邁斯納效應 (Meissner effect) ,即超導體從一般狀態相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象。這迫使磁場線在超導體周圍重新分佈。如果在超導材料上方放置磁石,這些排斥力會使其懸浮。

所以超導體的潛在應用,包括磁懸浮運輸、更高速數據傳輸,以及無損耗電網。然而,過去的超導體材料通常僅在極低的溫度下才可產生和維持其超導性;將物質保持在這些溫度下既困難又昂貴,因此是超導體廣泛應用的實際障礙。

關鍵:夠輕、化學鍵夠強

近期物理學家發現在提高較輕化合物,如硫化氫和氫化鑭中的超導性溫度方面取得成功。當中最常見的元素是氫,即自然界中最輕的元素。不過,氫作為氣體時是絕緣體,為了使其出現超導性,需要在巨大的壓力下對其進行金屬化。

Dias 指,要做出高溫超導體,需要更牢固的化學鍵與含輕盈的元素,而氫是最輕的元素,氫鍵則是其中一種最強的化學鍵。

由於只能在極高的壓力下產生純金屬氫,因此極難達到正確的條件。不過近年來,有兩個團隊報告成功製造金屬氫。

2017 年有團隊指,金屬氫可在壓力介於 465–495 吉帕斯卡 (gigapascal) 之間、 -267.65°C 溫度下出現。去年則有團隊指,可在 425 吉帕斯卡與 -193°C 下製造,但兩個發現都並不接近室溫。另外,地球核心的壓力只是 330–360 吉帕斯卡,兩個研究所用的壓力遠超此數字。

所以團隊退而求其次,使用含多氫的金屬,能在低得多的壓力下出現超導性能。團隊首先將氫氣與釔混合製造超氫化釔 (yttrium superhydride) 。這種化合物在 180 吉帕的壓力下於 -11°C 下表現出超導性。

團隊然後嘗試將碳、硫和氫結合,製成碳質氫化硫 (sulfur hydride) 。他們在高壓工具鑽石砧 (diamond anvil) 中擠入氫化硫,並測量其超導性。結果發現氫化硫在 270 吉帕斯卡已出現超導性,所需的溫度更高達接近室溫的 15°C 。

不過,碳質氫化硫基於此壓力下,顯然仍無法在日常情況下使用,而團隊所用的樣本大小亦只介於 25–35 微米。團隊的下一步研究將是嘗試通過調整樣本化學成分,來降低所需的壓力。團隊相信只要有準確的成份,在室溫與正常環境壓力下有超導性的材料最終會出現。

來源:
Science Alert, For The First Time, Physicists Have Achieved Superconductivity at Room Temperature, 14 October 2020

報告:
Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. & et al. (2020). Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377. Doi: 10.1038/s41586-020-2801-z

文/Alan Chiu

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