科学界炸了! Nature凌晨发稿室温超导新发现报告厅被挤爆

2023.3.09

物理学界又被扔下一枚核弹！

还是因为那石破天惊、看上去分分钟要把诺奖斩获马下的四个字：室温超导。

并且这次，来自罗彻斯特大学的Ranga Dias团队，给出的结果压强更低，临界温度更高：

新材料在约21℃的室温条件下，加压到1万个标准大气压就会出现超导现象。p.s. 人类已经可以在5-6万个大气压下合成钻石。

科学家们疯狂涌入会场，为了安全，保安开始赶人，很多著名科学大佬被保安挡在门外。

　　超导材料所表现出的无电阻特性，在常温常压条件下具有巨大的应用潜力。尽管人们已进行了数十年的密集研究，但这样的状态还没有实现。在环境压力下，铜酸盐是表现出超导最高临界超导转变温度(Tc)的材料类别，最高可达133 K。

　　在过去的十年中，以氢为主的合金的高压“化学预压缩”引领了对高温超导性的研究，已证明在兆巴压力下，Tc接近二元氢化物中的水的冰点。三元富氢化合物，如碳质硫氢化物，为潜在地改善超导氢化物的性能提供了更大的化学空间。

　　在此，来自美国罗切斯特大学的Ranga P. Dias等研究者报道了氮掺杂氢化镥在10 kbar的最大Tc为294 K的超导性的证据，即在室温和近环境压力下的超导性。相关论文以题为“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”于2023年03月08日发表在Nature上。

　　长期以来，人们一直预测致密的单质氢是一种非常高温的超导体，然而所需的极高压力给确认这些超导相带来了挑战。超氢化物材料有望在低得多的压力下，保持致密单质氢的超导特性。

　　在150 GPa压力下预测了CaH6超导转变温度(Tc)为220-235-K，以及在155 GPa下203-K Tc H3S的分水岭式的发现，引发了一场材料发现的热潮，目前，几乎所有可能的高压氢化物体系的二元体系都已建模。

　　最近对YH6异常高Tc的观测表明，在较低的氢含量和较低的压力下，可以实现高温超导。由于主要的发现都是在大于兆巴的压力下发现的，因此目标已经转移到进一步降低所需的压力，重点是三元氢化物化合物的巨大样品空间。在金属氢化物中作为掺杂剂的轻元素，预计有两个主要的有益影响。

　　首先，从Li-Mg-H体系的临界温度接近500 K(尽管仍处于兆巴状态)以及虚拟晶体近似模拟和最近的实验证据表明掺杂LaH10框架后转变温度至少增加了25 K等例子中可以看到Tc的预测增加。

　　第二，第三种元素的加入可以大大增强富氢晶格的稳定性，从而降低其稳定的压力范围。LaBH8预计将稳定到20-40 GPa，同时保持其高温超导性，金属-硼-碳包合物预计将在环境压力下保持其超导性。通过引入第三种元素来增加Tc的稳定性，为在亚兆巴压力下将氢化物超导体推到更高的Tc值提供了可能性。

　　由于三元稀土氢化物中有大量的相空间未被模拟开发，目前需要合理的化学设计来确定下一个候选材料。对La和Y二元超氢化物进行了预测和测量，采用类似的高压化学计量和相，在等效压力下显示出更高的Tc。Y3+阳离子的较小尺寸，为这种行为提供了一个简单的化学原理。而离子半径更小的Sc氢化物，则具有完全不同的结构和更低的Tc。

　　由于镧系元素的收缩作用，重于Dy的镧系元素提供了与Y相当或更小的三价离子半径，但存在复杂的f电子。尽管镧系化合物中的4f电子在环境条件下，通常是原子局域化和半价的，但部分占据4f态的固有磁性或在压力下向费米能级的迁移可能不利于超导性质。

　　虽然高压YbHx体系的合成工作产生了与La和Y体系不同的结构，可能是由于d电子转移到未占据的f态，预测表明，由于在费米能级附近的4f电子的强电子相关性，这两个最重的镧系氢化物应该能够达到Tc≥145 K的兆巴。

　　人们认为，在次兆巴状态下达到高Tc的原因有双重。首先，超过半满的4f价态抑制了声子软化，其次，它们对相对于过渡金属(Y和La)稀土的电子-声子耦合有一定的增强作用。结合轻原子掺杂的好处和价态中4f电子的存在，可以提高富氢稀土氢化物在较低压力下的稳定性，同时有可能增强其超导性能。

　　在此，研究者给出了在294 K和10 kbar压力下，三元镥-氮-氢化合物的超导性的实验证据，其中完整的4f壳层的结合以及氮的电子捐赠和化学压力，驱动了氮掺杂氢化镥的Tc和压力稳定性进入近环境状态。

　　测量的超导性能是在零温度下，基于Ginzburg-Landau (GL)模型以及在上临界磁场为88特斯拉的外部磁场下，观测到零电阻、交流磁化率和直流磁化率以及场冷，磁化强度M-H曲线、热容、电压-电流(V-I)曲线以及Tc的降低。

　　研究表明，该化合物在高压高温条件下合成，然后在完全回收后，沿压缩路径检测其材料和超导性能。这些包括有和没有施加磁场的温度依赖性电阻，磁化(M)与磁场(H)曲线，交流和直流磁化率，以及热容测量。

　　通过元素分析、EDX测量、XRD、拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)模拟对其组成和结构进行了研究。然而，还需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的确切化学计量，以及它们各自的原子位置，以更大的努力进一步了解材料的超导状态。

图1. 近环境压力下镥-氮-氢的超导性

图2. 镥-氮-氢体系的温度依赖性和场依赖性电阻及V-I行为

图3. 磁化率

图4. 超导镥-氮-氢体系比热容的测量

图5. 镥-氮-氢超导体系的XRD研究

　　对此，同期Nature期刊邀请了来自中国科学院物理研究所的靳常青和美国伊利诺伊大学香槟分校的David Ceperley，对这篇文章发表了评述。VIEWs的文章名为“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain”，显而易见，两位科学家对此发现是惊喜的，但同时也有疑虑。

　　疑虑的原因估计是，早在2020年，Dias小组在Nature发表文章，宣称：三元氢化物（C-S-H）在267GPa的超高压下，实现了Tc为15°C的超导电性。这项工作一出来，就被誉为是诺奖级的工作。遗憾的是，由于其他物理学家争相重复其实验，但没有一个得到相同结果，因此，这篇Nature在2022年9月被撤稿了。

　　撤稿半年后，Dias又带着新的三元氢化物（N-Lu-H）卷土重来，在不那么极端的高压（1GPa）下，实现了更高的Tc。这一次，压强更低了，Tc更高了。你说，能不让同行们对此存有疑惑吗？接下来，估计要在凝聚态物理领域，掀起新的一波对高温超导的研究，而这篇Nature会被人们反复提及，反复重复，能否经得住大家的检验，让我们静静等待吧。

　　可想而知的是，一旦其他的实验组能够在相同压力和温度下，重复其工作，那么基本可以宣告，这篇Nature预定了诺奖，也告示着室温超导“圣杯”的攻破。而它对工业界带来的影响，也将是颠覆性的。

　　文献信息

　　Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence ofnear-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0

　　原文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

　　https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9

nature 室温超导

互联网

喜欢作者我要约稿