科技日報記者 張夢然

美國研究人員取得了一項歷史性成就，在足夠低的溫度和壓力下創(chuàng)造了一種超導材料，并可用于實際應用。在最新一期《自然》雜志發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了這種氮摻雜氫化镥（NDLH），它在21攝氏度和1萬個大氣壓條件下表現出超導性。

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領導此項研究的羅切斯特大學機械工程和物理學助理教授蘭加·迪亞斯表示，有了這種材料，環(huán)境超導和應用技術的曙光已經到來。

通過顯微鏡觀察到的大約一毫米直徑的氫化镥樣本，這是羅徹斯特大學科學家蘭加·迪亞斯實驗室創(chuàng)造的一種超導材料。該合成圖像是焦點疊加和色彩增強多幅圖像的結果。圖源：羅徹斯特大學/J. Adam Fenster

前序研究的爭議

一個多世紀以來，科學家們一直在追求凝聚態(tài)物理學的這一突破。超導材料有兩個關鍵特性：電阻消失，以及被排出的磁場繞過超導材料。這些材料具有巨大的應用價值，如無損耗輸電電網、無摩擦懸浮高速列車、更實惠的醫(yī)學成像和掃描技術、用于數字邏輯和存儲的更高效電子設備，以及使用磁場限制等離子體實現聚變的托卡馬克裝置等等，最后一項也被認為是未來無限能量的來源之一。

此前，迪亞斯團隊在《自然》和《物理評論快報》的論文中報道了兩種材料——碳質硫氫化物和超氫化釔，分別在21攝氏度/267GPa和零下11攝氏度/180GPa下具有超導性。

鑒于最新發(fā)現的重要性，迪亞斯團隊竭盡全力記錄他們的研究，并消除上一篇《自然》論文發(fā)表后被撤稿招致的批評?！蹲匀弧芬延?022年撤下此前的論文，《物理評論快報》的論文也受到一些同行質疑。相比于上一篇論文從投出到被接收僅用了不到10天，最新論文的審稿流程更加漫長。迪亞斯教授表示，論文經歷了5輪審稿，他們提供了原始數據和樣本，最終得以發(fā)表。

迪亞斯說，之前的論文已重新提交給《自然》，其中包含驗證早期工作的新數據。這些新數據是在阿貢國家實驗室和布魯克海文國家實驗室等外部收集的，并有科學家在現場觀看超導轉變的演示。

它的名稱來自《星際迷航》

近年來，通過將稀土金屬與氫結合，然后添加氮或碳而產生的氫化物，為研究人員提供了制造超導材料的誘人“工作配方”。除了釔，研究人員還使用了其他稀土金屬。然而，所得化合物在仍然無法實際應用的溫度或壓力下變得超導。

研究團隊此次將目光投向了元素周期表的其他地方。迪亞斯說，镥看起來是“一個值得嘗試的好候選物”。它在其f軌道配置中具有高度局部化的完全填充的14個電子，可抑制聲子軟化并增強在環(huán)境溫度下發(fā)生超導性所需的電子—聲子耦合。

迪亞斯表示，與碳一樣，氮具有剛性原子結構，可用于在材料內形成更穩(wěn)定的籠狀晶格，并使低頻光學聲子變硬。這種結構為在較低壓力下發(fā)生超導性提供了穩(wěn)定性。

團隊創(chuàng)造了一種由99%的氫氣和1%的氮氣組成的氣體混合物，將其放入裝有純镥樣本的反應室中，并讓這些成分在200攝氏度下反應兩到三天。

論文稱，由此產生的镥—氮—氫化合物最初是一種“有光澤的藍色”。然后，當化合物在金剛石砧座中被壓縮時，發(fā)生了“驚人的視覺轉變”：在超導性開始時從藍色變?yōu)榉奂t色，然后變?yōu)榱良t色的非超導金屬態(tài)。

研究人員幽默地為這種狀態(tài)的材料取名為“Reddmatter”，即電影《星際迷航》中創(chuàng)建的材料名。

我們正處于現代超導時代

誘導超導性所需的壓力，比之前在迪亞斯實驗室中產生的低壓低近兩個數量級。迪亞斯表示，“通向超導消費電子產品、能量傳輸線、運輸和顯著改進聚變磁約束的途徑，現在已成為現實。我們現在正處于現代超導時代?！彼A測，摻氮的氫化镥將大大加快托卡馬克機器的研發(fā)進程以實現聚變。托卡馬克裝置不是使用強大的會聚激光束來內爆燃料顆粒，而是依靠環(huán)形外殼發(fā)出的強磁場來捕獲、保持和點燃過熱等離子體。

迪亞斯還表示，氮摻雜氫化镥在室溫下會產生“巨大的磁場”，而這“將成為新興技術的游戲規(guī)則改變者”。更令人興奮的是，有可能利用超導實驗積累的數據訓練機器學習算法，以預測其他可能的超導材料。

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