室温超导更上一层楼

科学家已经在高压下制备了基于镧的近室温超导体。资料来源:SPL

■任芳燕，本报见习记者

自从1911年人类首次发现超导体以来，许多科学家一直在寻找能在室温下达到超导状态的材料。

超导体的零电阻或完全抗磁性只能在非常低的温度条件下实现(例如-138℃或更低)。因此，只有将超导体的转变温度提高到室温，超导体才有望得到广泛应用。

现在，科学家已经将超导体的转变温度提高到接近室温。美国乔治华盛顿大学的地球物理学家拉塞尔·赫利(Russell Hemley)在2018年8月发表的一项研究表明，他的团队合成的氢化镧(LaH10)的超导转变温度为260K(约-13.15℃)，相关论文将很快发表在《物理评论快报》上。

然而，美国和中国的不足之处在于，Hemley等人的实验需要在200GPa的超强压力下进行，并且该化合物的超导性质需要进一步验证。

预言实现了。

在高压下，可以减少物质的原子间距，也可以合成一些在常压下难以存在的物质。

2017年，中国吉林大学物理学院的马琰铭教授等人在《物理评论快报》上发表文章，预测高压下笼状结构的稀土富氢化合物可能具有接近室温的超导转变温度，即在较高温度下实现超导。

在常压下，镧和氢的化合物通常是二价或三价的，只有在高压下才能合成镧马琰铭告诉《中国科学》。

基于这些预测，科学家们开始探索超导体在高压下的转变温度。

在芝加哥的阿尔贡国家实验室，Hemley等人将极少量的镧金属放入金刚石砧座(DAC)中，让其在高温高压下与氢气反应合成LaH10。通过X射线衍射确定了该超导体的化学式和晶体结构。

中国科学院物理研究所的研究员孙丽玲说，Hemley等人的实验达到了200万个大气压的压力，激光加热高压合成技术“非常具有挑战性”。

除了Hemley的团队，德国马克斯·普朗克研究所的物理学家Mikhail Eremets也在实验中合成了LaH10 x，并报道了2018年超导转变温度为215K(约-58.15℃)的实验结果。

Eremets等人也在2014年报道了另一种含氢超导材料硫化氢可以在-83℃实现超导转变，这是当时最高的超导转变温度。

“Hemley和Eremets团队长期以来一直致力于测量超高压下的物理特性，并拥有实现这些超高压研究突破的强大技术基础。超导研究的上述成就应该说是长期技术积累的结果。”孙丽玲说。

下一个目标

超导体有两个基本特征:零电阻和完全抗磁性(迈斯纳效应)。只有通过证实物质同时具有这两种特性，它才能被确认为超导体。尽管Hemley等人在他们的研究中观察到电阻突然下降，但这并不完全等同于零电阻。此外，Hemley和Eremets都需要进行反磁实验，这更困难。

“由于被观察物质的抗磁性需要一定的样品体积，在接近200GPa的超高压下，样品在数模转换器中可能只有一两微米厚，因此小样品的抗磁性信号可能低于磁检测设备的极限，因此很难检测出迈斯纳效应。”中国科学院物理研究所研究员成进广告诉记者。

现在看来，LaH10需要在非常高的压力下合成，但是由于极高的压力环境，测试它是否具有超导体性质还没有精确实现。但这实际上是科学家们“妥协”的结果。

1968年，美国康奈尔大学的物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)基于传统的超导体微观理论(BCS)，预测了室温下金属氢能量的超导转变。然而，制备金属氢需要非常高的压力环境，甚至高达500GPa，所以科学家改变了他们的想法，制备高氢含量的化合物。

"富氢化合物高温超导性的关键是在氢和氢之间形成共价键网络。"成进广解释道。以Hemley等人的实验为例，以200GPa合成了LaH10。它的结构是一个笼状结构，由许多共价键形式的氢原子组成，中间有一个镧原子。

虽然压力比直接制备金属氢的压力低得多，但是将这种研究成果直接应用到现实生活中仍然很困难。科学家们也在探索如何在相对较低的压力下合成一些富氢化合物。

冰仙女的黄昏

在极端条件下，物理学家发现超导转变温度接近室温的材料有什么意义？成进广说，高压下的研究可以为常压下超导材料的探索、合成和性能优化提供指导。

“如果在常压下用化学压力代替物理压力，就有可能进一步提高超导转变温度；能否在相对较低的压力下合成一种类似LaH10的高度富氢化合物，并在常压下稳定下来，这是一个非常具有挑战性的课题。”成进广说。然而，像Hemley和Eremets这样的科学家的实验意味着寻找室温超导材料是更现实的一步。

在高温高压下合成的亚稳态物质能在常温常压下保持其原始状态吗？对于富氢化合物的压力诱导超导相是否能保持在室温，理论上已经有了乐观的预测，但是还需要进一步的努力来实验证实孙丽玲说。

“Hemley和Eremets的研究成果促进了超导研究的发展，”孙莉莉告诉中国科学新闻。“科学实验研究成果对理论理解具有重要的启发和指导作用。如果他们的工作能得到进一步的反磁实验研究的证实，他们就能为深入准确地理解超导机理提供新的实验证据，从而对探索新的超导材料乃至实现可应用的室温超导体具有重要的指导意义。”

《中国科学日报》(2019-009第三版国际版)