极端的氢粉碎物理学家正在推动我们进入一个“超导的新时代”

光学显微照片显示,镧在极端压力下被激光加热。3月4日,华盛顿乔治华盛顿大学的材料科学家拉塞尔·汉姆利(Russell Hemley)在美国物理学会3月会议上告诉一群研究人员:“我们认为这是超导的新时代。”粉碎对立钻石的超硬点之间的微小事物,温度和电阻的图表,发光的球,以及穿过其中心的粗糙的黑色“X”。最后一张图是新时代本身的体现:一个非常小的超水合镧(或LaH10)样品在类似的压力下被挤压到核心中发现的一部分,并用激光加热到接近新英格兰寒冷冬日的温度。(按照超导研究的标准,这是沸腾加热,通常是在极冷的实验室里进行。)在这些条件下,海姆利和他的团队发现LaH10似乎不再抵抗原子之间的电子运动。显然,正如海姆利希在他的APS演讲中所说的,在5438年6月+65438年10月+4月发表在《物理评论快报》上的一篇论文中,它变成了一种“室温超导体”,拥有你从未听说过的六种重要元素。

早在1911年前,荷兰物理学家海克·卡默林赫·昂内斯就发现,一些物质在极低的温度下表现出不同寻常的电学性质。

一般情况下,电流通过导电材料(如铜线)时,沿途会损失一些强度。即使是我们在电网中使用的非常好的导体也不是完美的,不可能把电站的能量全部传输到墙上的插座。一些电子会在途中丢失。

但是超导体不一样。引入超导线回路的电流将继续循环而没有任何损失。超导体释放磁场,从而有力地推开磁铁。它们在高速计算和其他技术中有应用。问题是超导体通常在极低的温度下工作,这使得超导体不适合普遍使用。一个多世纪以来,物理学家一直在寻找温度更高的材料中的超导性。然而,发现超导有点像惊人的黄金:过去的经验和理论可能会告诉你大致在哪里寻找超导,但你不会真正知道超导在哪里,直到你做了昂贵而耗时的检查。

“你有这么多材料。罗马sapienza大学的物理学家Lilia Boeri说:“你有一个巨大的探索空间。“她在海姆利希之后发表了一篇论文,讨论了超导体高于LaH10的可能性,并解释了为什么像这样的材料在极端压力下是超导的。

1986年,研究人员发现陶瓷在绝对零度以上30度或零下406度(零下243度)的高温下具有超导性。后来,在20世纪90年代,研究人员首次认真研究超高压,看能否揭示新的超导体。

但在这一点上,Boeri告诉Live Science,在测试之前,仍然没有好的方法来确定一种材料是否是超导的,或者在什么温度下是超导的。因此,临界温度记录——超导发生的温度——保持在非常低的水平。

“理论框架是有的,但他们没有能力使用它,”Boeri说。

下一个重大突破是在2001,当时研究人员证明了二硼化镁(MgB2)在绝对零度以上39度或389f(零下234c)时是超导的。

[三十九度]相当低,”她说,“但在那个时候。“这是一项重大突破,因为它表明,当临界温度比以前认为的可能温度高一倍时,你可以拥有超导性。

压碎的氢,从那时起,对温暖超导体的寻找在两个关键方面发生了变化:材料科学家意识到更轻的元素提供了有吸引力的超导可能性。与此同时,计算机模型已经发展到理论学家可以提前准确预测材料在极端环境下的行为。

物理学家从显而易见的开始。

“所以,你想使用轻元素,最轻的元素是氢,”Boeri说,但问题是氢本身——它不能被制成超导,因为它是绝缘体(一种通常不允许电流通过的材料)。所以,要有超导体,你必须先把它变成金属。你必须做点什么。你能做的最好的事情就是挤压它。在化学方面

金属几乎都是原子在一起,因为它们在一个自由流动的电子汤里。大多数我们称之为金属的材料,如铜或铁,在室温和舒适的大气压下是金属。但在更极端的环境下,其他材料也可能变成金属。【世界上最极端的实验室】

理论上,氢是其中之一。但是有一个问题。“KDSP”和“KDSP”需要比现有技术更高的压力,”汉姆利在他的演讲中说KDSP“让研究人员寻找含有大量氢的材料,氢会形成金属,并有望在可达到的压力下变成超导材料。Boeri说,从事计算机模型研究的理论家为实验者提供了可能是超导体的材料。并且实验者选择了最佳的测试方案。

然而,Hemley说,这些模型的价值是有限的。不是所有的预测都能在实验室实现。

“人们可以在这项工作中非常有效地使用计算,但我们需要严格地进行计算,并提供最终的实验测试,”他告诉聚集的人群。

Hemley和他的团队的“室温超导体”,LaH10,似乎是这个新研究时代最令人兴奋的成果。在两个相对的菱形点之间,LaH10样品被压缩到大约地球大气压(200千兆帕斯卡)的100万倍的水平,并在绝对零度以上260度的温度下,即8华氏度(-13摄氏度),变得超导。

一张图显示了金刚石砧孔装置,该装置用于将镧和氢压碎在一起,以及它们在这些压力下形成的化学结构。((左)APS/艾伦·斯通布雷克;;(右)E.Zurek在同一篇论文中描述的另一个实验(由APS/Alan Stonebraker改编)似乎显示了绝对零度以上280度或44华氏度(7摄氏度)的超导性。这是一个寒冷的室温,但并不太难达到。

Hemley在结束演讲时提出,在未来,这种高压工作可能会导致在温暖的温度和正常压力下都是超导体的材料。他说,也许一种材料一旦被加压,压力释放后,它可能仍然是超导体。或者,从高温化学结构中吸取的教训可能指向超导低压结构。

Boeri说,这将改变游戏规则。

“这基本上是基础研究。”它没有应用,”她说,但假设你在压力下想出一个有效的方法,比如比现在低10倍。这为超导电线和其他东西打开了大门。

被问及有生之年是否想看到常温常压下的超导体,她热情地点了点头。

“当然,”她说。

《古怪物理:自然界最酷的小粒子爆炸成文明:10除希格斯粒子之外的惊人起源事件:宇宙中可能潜伏的5种难以捉摸的粒子》

“最初发表在《生命科学》上。