室溫下實現(xiàn)碳—硫—氫體系超導(dǎo)。圖片來源：ADAM FENSTER

10月14日，《自然》報道了美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias聯(lián)合內(nèi)華達大學(xué)等團隊在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重大突破：實現(xiàn)287K（約15℃）溫度下的碳—硫—氫體系超導(dǎo)。

但這種新型室溫超導(dǎo)體只能在267GPa（相當(dāng)于地球中心壓力3/4）的壓力下工作。換句話說，如果研究人員能夠?qū)⑦@種材料穩(wěn)定在環(huán)境壓力下，超導(dǎo)應(yīng)用普及的夢想就有望實現(xiàn)，比如用于核磁共振成像和磁懸浮列車、無耗散電流傳送和不需要冷卻的超強超導(dǎo)磁體等。

“這是一個里程碑。”英國劍橋大學(xué)物理學(xué)家Chris Pickard說。但是，美國加州大學(xué)圣迭戈分校物理學(xué)家Brian Maple認為，該實驗的極端條件意味著，盡管它“相當(dāng)驚人”，但“這肯定不會對制造中的設(shè)備有用”。

研究人員將碳和硫元素形成的混合物球磨成5微米以下的顆粒，隨后裝載到金剛石壓砧（產(chǎn)生超高壓的裝置）中，并充入高壓氫氣。在加壓的狀態(tài)下，用紫外光照射，壓力和光輻射共同驅(qū)動S-S鍵的光分解，形成硫自由基，并與氫分子反應(yīng)生成硫化氫，最終制出均勻透明的晶體。

當(dāng)將壓力提高到148GPa并表征電導(dǎo)率時，研究人員發(fā)現(xiàn)材料在147K時變成了超導(dǎo)體。將壓力進一步增加到267GPa，研究小組達到了287K的超導(dǎo)“臨界溫度”，磁性測量也表明樣品已經(jīng)變成了超導(dǎo)體。

中國科學(xué)院物理研究所研究員靳常青表示，該研究提供了旨在證明超導(dǎo)兩個最基本特性的實驗結(jié)果，即零電阻和抗磁性。

靳常青告訴《中國科學(xué)報》，在超高壓環(huán)境下，樣品的量非常小，在文章所述的微米級尺度下檢測樣品電阻，尤其是磁信號的實驗難度非常大。

“這個實驗結(jié)果如能得到其他研究組的進一步確認，對超導(dǎo)的基礎(chǔ)研究和潛在的室溫大規(guī)模應(yīng)用而言，都是相當(dāng)令人鼓舞的進展?？茖W(xué)家需要繼續(xù)深入認識構(gòu)效關(guān)系，比如通過化學(xué)摻雜，如何在較低壓力甚至常壓下實現(xiàn)室溫和更高溫度超導(dǎo)?！苯Ｇ嗾f。

實際上，硫化氫在高壓下會變身高溫超導(dǎo)體，曾被中國科學(xué)家“預(yù)言”。2014年，吉林大學(xué)教授馬琰銘、崔田團隊各自通過理論計算預(yù)測：硫化氫在160GPa下超導(dǎo)臨界溫度為80K；硫化氫與氫的復(fù)合結(jié)構(gòu)在200GPa下超導(dǎo)臨界溫度在191K至204K之間。

2015年，德國馬普學(xué)會化學(xué)研究所物理學(xué)家Mikhail Eremets團隊在高壓條件下的硫化氫結(jié)構(gòu)中達到了203K（約-70℃）的超導(dǎo)臨界溫度。2019年，Eremets團隊再次在《自然》發(fā)文報告了鑭—氫化物在170GPa、250K（約-23℃）的超導(dǎo)性，這也是此前高溫超導(dǎo)體的最高臨界溫度紀(jì)錄。

Eremets表示，此次最新研究似乎提供了關(guān)于高溫電導(dǎo)率令人信服的證據(jù)。但他指出，Dias小組還不能確定超導(dǎo)化合物的精確結(jié)構(gòu)，他希望從實驗中看到更多的“原始數(shù)據(jù)”。

Dias等人表示很快就會著手解決這個問題，而且他們可能也會用其他元素來替代三組分混合物，希望能產(chǎn)生溫度更高的超導(dǎo)體。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z