科学家发现了第一个室温超导体

一队纽约的物理学家发现了一种可以在室温下以最佳效率导电的材料，这是一个长期的科学里程碑。研究小组在《自然》杂志上报道说，氢，碳和硫的化合物可在高达59华氏度的温度下作为超导体运行 。这比去年创下的高温超导记录高出50度以上。

西班牙巴斯克大学的凝聚态理论家埃恩·埃雷亚（Ion Errea）表示：“这是我们第一次真正可以说发现了室温超导性。”他没有参与这项工作。

剑桥大学的材料科学家克里斯·皮卡德（Chris Pickard）说：“这显然是一个里程碑。” “那是一个寒冷的房间，也许是英国维多利亚时代的小屋，”他谈到59度的温度时说道。

然而，尽管研究人员赞扬这一成就，但他们强调，由罗切斯特大学的Ranga Dias领导的团队创建的新化合物永远不会进入无损输电线，无摩擦高速火车或任何革命性技术中如果可以在真正的环境条件下保持超导基础上的脆弱量子效应，那么这将无处不在。这是因为该物质仅在室温下超导，而在一对钻石之间被压碎至其压力大约是地球核心中的75％。

皮卡德说：“人们永远都在谈论室温超导性。” “他们可能并不十分了解，当我们这样做时，我们将在如此高的压力下进行。”

材料科学家现在面临的挑战是发现一种不仅在常温下而且在日常压力下也能工作的超导体。新化合物的某些特征使人们希望有朝一日能找到正确的原子混合物。

当自由流动的电子撞到组成金属的原子时，普通导线会产生电阻。但是研究人员在1911年发现，在低温下，电子会在金属的原子晶格中引起振动，而这些振动又将电子吸引到一起，形成称为库珀对的对。不同的量子规则控制着这些对，它们在一个连贯的蜂群中一起流过，该蜂群不受阻碍地穿过金属的晶格，没有任何阻力。超导流体还会排出磁场，这种作用可能会使磁悬浮的车辆无摩擦地漂浮在超导轨道上方。

但是，随着超导体温度的升高，粒子会随机摇动，从而破坏电子的微妙舞蹈。

研究人员花了数十年的时间来寻找一种超导体，其库珀对探戈结对的紧度足以承受日常环境的热量。1968年，康奈尔大学的固态物理学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）提出，氢原子的晶格可以解决这个问题。氢的小尺寸使电子更靠近晶格的节点，从而增强了它们与振动的相互作用。氢的轻巧性还使那些引导的波纹更快地振动，从而进一步增强了与库珀对的粘合力。

需要不切实际的高压才能将氢挤压成金属晶格。尽管如此，Ashcroft的工作仍寄希望于某些“氢化物”（一种氢和第二种元素的混合物）可能在更易接近的压力下传递金属氢的超导性。

在2000年代，进步开始了，当时超级计算机模拟使理论家可以预测各种氢化物的性质，而紧凑型金刚石砧的广泛使用使实验家们可以挑选最有前途的候选人来测试自己的能力。

突然，氢化物开始创造记录。德国的一个研究小组在2015年发现，金属化的硫化氢（一种在腐烂的鸡蛋中发现的刺激性化合物）在-94华氏度下的超导在大气压力的150万倍下发生。四年后，同一实验室使用氢化镧在180万个大气压下达到-10度，尽管另一小组发现了在8度时同一化合物具有超导性的证据。

迪亚斯在罗切斯特的实验室现在打破了这些记录。在直觉和粗略计算的指导下，研究小组测试了一系列氢化合物，以寻找氢的金洛克比率。添加太少的氢，化合物就不会像金属氢那样强健地超导。添加过多，样品将像金属氢一样发挥太多作用，仅在会使您的金刚石砧破裂的压力下才会金属化。在他们的研究过程中，该团队淘汰了数十对价值3,000美元的钻石。迪亚斯说：“这是我们研究的最大问题，钻石预算。”

事实证明，制胜法宝是2015年配方的即兴之处。研究人员从硫化氢开始，加入甲烷（碳和氢的化合物），然后用激光烘烤混合物。

迪斯的合作者，内华达大学拉斯维加斯分校的凝聚态物理学家阿什坎·萨拉玛特（Ashkan Salamat）说：“我们能够丰富系统并引入适当的临界量的氢气，以将这些库珀对维持在非常高的温度下。” 。

但是他们煮熟的氢-碳-硫药水的细节却难以捉摸。氢太小而无法在传统的晶格结构探针中显示出来，因此该小组不知道原子是如何排列的，甚至不知道该物质的确切化学式。

布法罗大学的计算化学家伊娃·祖雷克（Eva Zurek）属于与Dias实验室有松散联系的一组理论家。今年早些时候，他们预测了金刚石砧之间可能形成的一种金属超导的条件，他们发现了不同的行为。她怀疑高压反而会使Dias的物质转变成一种未知的形式，其超导性特别强。

一旦Dias的小组能够准确地弄清他们所掌握的一切（他和Salamat所说的细节即将推出），理论家将建立模型，探索使氢-碳-硫混合物具有超导能力的特征，以期进一步修改配方。

物理学家已经证明大多数二元素氢杂化物是死胡同，但是这种新的三元素混合物标志着复杂的嵌合体材料世界的潜在重大进步。其中涉及的要素之一似乎对某些人特别有希望。

“我喜欢这项工作：它们将碳带入系统，”德国马克斯·普朗克化学研究所的实验员米哈伊尔·埃雷梅茨说，他的实验室创造了2015年和2019年的氢化物记录。

他解释说，氢的轻度并不是增强将电子引向库珀对的振动的唯一方法。他说，晶格中相邻原子之间更牢固的连接也有帮助。他说，“碳具有非常强的共价键。” 带有碳纤维框架的材料可以带来额外的好处，即防止整个组件在人类感到舒适的低压下翻倒。

祖雷克同意。她说：“我认为房间压力将非常具有挑战性。” “但是，如果我们可以将碳化合物引入混合物中，我认为这是前进的道路。”