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零下70摄氏度和高压下:硫化氢成为超导
发布:Kate0609   时间:2015/8/27 8:49:48   阅读:1512 
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德国马克斯普朗克化学研究所和德国美因茨约翰尼斯•古腾堡大学的研究人员发现零下70摄氏度的高压下——当硫化氢被放置在150万巴(Bar巴尔,大气压力单位,1巴=0.99标准大气压atm)压力下,硫化氢呈现超导性质。这对应于地核压力的一半。在美因茨研究人员的高压实验中,他们不仅为超导创造了新纪录,这一发现更为在室温下无损耗地传送电流提供潜在的新方法、新思路。研究人员的科学论文题为“在203K、高压下的传统超导体”,于2015年8月17日发表在著名期刊《自然》上。

对于许多固体物理学家而言,在室温下使用超导体仍然是一个梦想。到目前为止,已知的唯一材料无电阻、无损失传导电流只有在非常低的温度下才能实现。相应地,考虑传导温度(例如在何种温度下材料电阻为零),氧化铜陶瓷,也称作铜氧化物成为首要选择。这类陶瓷电阻为零的记录在正常气压下,大约是摄氏零下140度,在高压下,零下109摄氏度。陶瓷将会发生一个特殊的、非传统形式的超导。对于传统超导,目前为止,温度至少达到零下234摄氏度。

一个由Mikhael Eremets博士领头的马克斯普朗克化学研究所工作小组,“高压化学和物理”正在与德国美因茨约翰尼斯•古腾堡大学无机化学和分析化学研究所的Vadim Ksenofontov博士和Sergii Shylin博士合作,他们在零下70摄氏度下发现了传统超导体硫化氢(H2S)。硫化氢在常温下是气体,为了转变其物态成为类似于超导的金属,科学家们必须在1.5兆巴至1500兆巴之间进行操作。

“我们的实验已经为材料转变为超导体所需温度建立了新记录。”Mikhael Eremets博士说道。他的团队首次证明传统超导具有较高的转变温度。同时,理论计算也预测了包括硫化氢等物质具有此类性质。“在传统超导具有较高的转变温度的领域中,还有巨大的展空间,物理学家Mikhael Eremets强调,“从理论上来说,传统超导的转变温度并无限制,我们的实验正在寻找各种理由,用于解释超导甚至能在室温下发生。”

研究者们在体积小于一立方厘米的特殊压力舱内,通过施加极度高压,实现了硫化氢在适当负温条件下的超导性质。压力舱的两端有两个类似于顶锤的金刚石尖端,用来产生样本所需的高压。同时样本与芯片相连接,以确保测量到电阻。

在另一个高压芯片中,研究者们检测了材料的磁性,其磁性随转变温度不断变化。当研究者们将硫化氢充满整个压力舱,他们将样本的压力逐渐升高至2兆巴左右,并在不同的压力条件下改变温度。通过同时测量材料的磁性和电阻,才能决其转变温度。磁性测量提供十分有用的信息,原因在于超导拥有理想的反磁性性质。德国美因茨大学无机化学和分析化学研究所的Vadim Ksenofontov 博士和Sergii Shylin 博士有证据证明,这一机理可称之为传统超导。他们进行高压磁性检测来测量迈斯纳效应(the Meissner effect,当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时,磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场恰好和磁体的磁场抵消,使超导体内部的磁感应强度为零)。为了实验的顺利进行,研究者们发明一种超高压芯片,可以精确地确定磁场中的特定参数。

研究者们相信,在高压、相对高温德情形下,硫化氢失去电阻的主要原因是氢原子。晶格中的氢原子质量小,因此在所有元素中,它以最高频率震荡。而传统超导的性能取决于晶格的震荡,震荡越快,传统超导电性就越好。富含氢元素的材料表现出相对更高的转变温度。除此以外,原子间强烈的结合力增加了成为超导材料所需的温度。这些情况在H2S中都出现。超导也正是在高压下由硫化氢形成的。

美因茨的科学家们正在寻找具有更高转变温度的材料。若将硫化氢的压强升至1.5兆巴以上,这一情形下并不适用。这一点不仅由理论物理学家计算而得,也受到了美因茨研究团队的实验验证。

“在更高的温度下,电子结构开始变化,转变温度也随之降低。想要得到更高的转变温度,候选材料空拍只有纯净的氢。”Eremets说道:“期待纯氢能够在室温和高压下成为超导。”他的团队已经开始将纯氢做为实验对象,但是实验非常困难,因为他们大约需要3至4兆巴的压强。

“然而,我们对于硫化氢的研究表明,许多富含氢原子的材料也将具备较高的转变温度。” Eremets总结道。甚至在非高压、高温的条件下实现超导不无可能。美因茨的科学家们现在需要高压,将材料绝缘,就像硫化氢和金属之间。“一些聚合物或其他富氢化合物有可能被转化为金属,并进一步在室温下被转变为超导。”这位物理学家说道。一旦我们找到这样的材料,就能最终实现超导科技的广泛应用。



译自:http://www.uni-mainz.de/presse/19539_ENG_HTML.php 
来源:材料与测试
译者:Kate0609
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