@ 2024.05.15 , 12:40
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室温超导体的突破在即

关键突破让我们接近室温超导体,实现电子设备效率革命。

寻找室温超导体的过程如同追寻点金石。室温超导体能够完美传导电力而无任何阻力,将可再生能源高效地传输到远方城市,极大地解决气候危机。

难怪去年发现两种这样的材料时,物理学界为之疯狂。2023年3月,研究人员报告一种名为“红物质”的材料在21°C(70°F)下具备超导能力,但需在极高压力下。几周后,另一种名为LK-99的物质据称在室温和常压下工作。然而,两项研究的结论现已被广泛否定。

这些研究的喧嚣掩盖了一个更微妙且有趣的真相:寻找实用超导体的研究正迅速推进,人们终于感到这个领域正在迎来转机。过去几年,实验上的突破不断涌现,而理论学家也在精炼从零预测新超导材料组成的方法。

“我们这一代人记得,当时绝对确定不会有室温超导体,”牛津大学物理学家J.C. Séamus Davis说,“但现在我们意识到自己错得有多离谱。”

1911年,物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现,在-270°C(绝对零度以上3°C)时,汞的电阻突然消失。没人预料到这种现象。包括爱因斯坦在内的顶尖物理学家都试图解释这一现象。直到近50年后,三位物理学家John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer才破解了这个谜团。他们提出的BCS理论被认为是20世纪科学的巅峰之作,既简洁又具有强大的预测能力。

要理解这一理论,想象进入超导材料的内部,带负电的电子通过正电荷原子核构成的晶格移动,形成电流。当电子移动时,它吸引附近的原子核,产生正电荷的波动。这吸引了另一电子,仿佛用绳子牵引着它。这对电子,即Cooper对,免受通常导致电阻的晶格振动的影响。

除非晶格振动剧烈到足以断开Cooper对的“绳子”。在物理学中,更多的热量意味着更多的振动,这解释了为何根据BCS理论,超导性通常在低温下出现。BCS理论也提出了一个预测:晶格原子较轻的材料会在更高温度下实现超导。较轻的原子更容易波动,形成更牢固的电子对。

该理论解释了当时所有已知的超导体,如铅、铌、锡以及最初的汞。所有这些材料的临界温度都在绝对零度附近。

1986年,IBM苏黎世研究实验室的J. Georg Bednorz和K. Alex Müller意外发现铜氧化物基材料(钙钛矿)在相对温暖的-238°C下具有超导性。几年内,其他研究团队发现类似材料在更高温度下工作,最高达到-180°C。这一发现震惊了科学界。这些材料不仅被认为是绝缘体,通常不导电,而且完全违反了BCS理论,后者坚持只有由非常轻的原子组成的材料才能在较高温度下实现超导。铜和氧不符合这个条件。这些钙钛矿因违背BCS正统理论而被称为“非常规”超导体。

尽管如此,这些材料的性能不断提高,但仅到一定程度。如今,最佳的非常规超导体在约-140°C的温度下工作,这已足以应用于一些领域,例如制造MRI机中的强磁体。我们用液氮将它们冷却到极低温度。

但人们真正渴望的是一种可以在任何地方使用的超导体,一种能够彻底变革电力网络的技术灵丹。为此,我们需要一种方法来超越理论,测试非常规超导体内部电子的行为。

2022年,Davis和他的同事们通过扫描隧道显微镜成功实现了这一目标,这种仪器通过金属针扫描样品表面,电子从针跳到被检查的材料上。他们分析了一种特定的钙钛矿超导体,使用了两根略有不同的针,其中一根本身就是超导的。这使得研究人员能够获得Cooper对的分布图。“这几乎花了我不到30年,”Davis笑道,“之前没有任何技术能可视化Cooper对。”

团队发现,Cooper对在材料与针之间电子跳跃最容易的地方最为集中。根据Davis,这强有力地支持了已故诺贝尔奖得主Philip Anderson提出的非常规超导性假说。他认为,在钙钛矿中,电子不是像BCS理论那样连续移动,而是通过关联一种称为自旋的量子力学性质配对——一个电子向下自旋,下一个电子向上自旋,以此类推。

要完全接受Anderson的假说,实验需要在各种非常规超导体上重复进行。如果这个假说得到验证,研究人员可以自信地利用这一理论预测新型、性能更好的超导体结构。然而,这并不容易——Anderson的理论涉及比BCS理论更复杂的电子间相互作用,即使是最先进的超级计算机模拟也非常繁重。

人工智能与超导体

不过,也许我们根本不需要从基本原理出发进行预测。这是人工智能带来的希望,人工智能正被越来越多地视为根据现有实验数据趋势寻找更好超导体的方法。

去年,马里兰州约翰霍普金斯应用物理实验室的Christopher Stiles带领的团队利用SuperCon数据库训练了一种AI算法,该数据库包含超过16000种已知超导体及其工作温度。在初步计算中,AI预测了数十种可能的超导材料。研究人员从文献中知道其中一些实际上并非超导体,于是把这些预测搁置一旁,制作了少数其他推荐的化合物。

这些化合物也不特别,于是团队将所有负面数据重新输入算法并重新运行。仍然没有结果。

研究人员重复这一过程,到第四次迭代时,AI给出了他们想要的结果:六种超导体的预测,其中五种已被证明是真实的(尽管未包含在最初的训练数据中)。他们谨慎地合成了另一种未测试的合金——锆、铟和镍的合金。果然,当他们将其冷却到-264°C以下时,它变成了超导体。虽然不够暖和以震撼任何人,但证明了AI的潜力。

Stiles不知道锆合金的工作机制,算法也不知道。它不需要知道:像所有AI一样,其预测归结为统计分析。而且它只会变得更好。“通过这种方法,你输入的数据越多,预测性就越强,”Stiles说,“不像我——我输入的数据越多,早期数据就越容易忘记。”

或者,我们回到BCS超导体。几十年来,这似乎没有前途,因为它们几乎都在绝对零度以上不多的温度下工作。但至少它们有一个明确的规则指引更高温度操作的方向:使用较轻的原子。确实,表现最好的超导体可能是传说中的金属氢,这种最轻元素的金属形式,科学家们已尝试合成近90年。下一个最佳选择可能是超导氢化物,包含尽可能多氢的合金——正是这些合金突然点燃了该领域的热情。

氢化物与镍酸盐

2015年,基于前一年有前途的预测,德国美因茨马普化学研究所的团队尝试了硫化氢。他们将样品置于90 GPa的压力下,约为大气压的百万倍,发现它在-83°C下开始超导,比最好的钙钛矿高出近60°C。其他结果迅速积累。镧超氢化物,含有每个镧原子10个氢原子的合金,特别引人注目。到2018年,它在-23°C下表现出高压超导性。一年后,它在-13°C(9°F)下工作。

随着研究接近室温,超导性研究变得前所未有的激烈。这也许在某种程度上解释了对红物质和LK-99的狂热。红物质论文现已应部分共同作者的请求撤回,他们指出数据不准确等问题。与此同时,重复LK-99实验的尝试均告失败。科学家抱怨说他们不再知道该信任什么,目前没有共识超导体工作的最高温度是多少,或在哪种材料中。

可以说,这无关紧要。所有实验研究的超导氢化物仅在高压下工作,约300 GPa,几乎是地心的压力。实现这一目标需要微小的样品和金刚石压砧——像拧紧螺丝钉,但用一对对抗的钻石施加巨大的力量。显然,即使高压氢化物达到室温里程碑,实际应用也很少。

僵局了吗?理论学家普遍同意,涉及氢和另一种元素的简单氢化物在不受高压的情况下,不能超导到远超过室温。同样,原始的非BCS超导体钙钛矿也遇到了某种瓶颈:进展在1990年代中期停滞。“这令人难以置信,”剑桥大学理论学家Chris Pickard说,“你看到这些记录临界温度的曲线急剧上升,但随后趋于平缓。”

然而,还有其他途径可以探索。2019年,加州斯坦福大学的团队发现,类似钙钛矿但镍原子代替铜的材料也能作为非常规超导体。目前,这些“镍酸盐”的最高临界温度约为-193°C,远远落后于其他材料。然而,这一发现为物理学家提供了全新的一组材料进行研究和优化。

除此之外,我们在2006年发现了另一类基于铁的超导体,尽管它们目前在标准大气压下的最佳表现是-217°C。但重点是,这扩展了我们的实验空间。“我们从一种高温超导体家族扩展到四种,”英国布里斯托大学的Sven Friedemann说。“这表明多条路径可以通向室温超导性,让我对室温超导性在常压下实现充满乐观。”

目前,许多希望寄托在氢化物上——但更复杂的氢化物,涉及除氢之外的两种元素,而不是一种。计算表明,额外的元素可以帮助稳定原子结构,使高压变得不必要。今年早些时候,一个国际团队对超过一百万种这样的氢化物进行了理论筛选,发现一部分含镁的氢化物应该能在常压下在约-170°C下超导。与此同时,另一国际研究团队,包括Pickard,也证实了这一结果,并确定了一种特定的镁-铱氢化物应该能在-113°C下超导。“如果我们是对的,我们在常压下已经超越了钙钛矿,”Pickard说。

正如他所承认的,这些研究可以有两种解释。好消息是高温超导在不受高压的情况下是可能的。坏消息是广泛的搜索仍未发现任何室温候选者。“这是好的,”Pickard说,“但还不够好。”

然而,正如超导性研究中常见的情况,惊喜可能随时到来。在三月份的美国物理学会会议上,芝加哥伊利诺伊大学的Adam Denchfield展示了一种寻找有前途氢化物的新方法。他和同事们不是试图找出如何降低已知超导氢化物的压力,而是反其道而行之:从已知在常压下稳定的氢化物开始,看看如何调整它们以实现高温超导。他们发现一种散布着锂的特定钇氢化物,若调整锂含量,应该能在-53°C下超导。

你可能会认为这仍不是室温。但这个数字有误差范围,“它们可以向两个方向延伸,”Denchfield在会议上说。他指出,镧超氢化物的理论预测临界温度比测量值低60°C。钇氢化物的-53°C是否也是类似的低估?如果是这样,室温突然看起来并非遥不可及。

本文译自 New Scientist,由 BALI 编辑发布。

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