新材料(硫化氢)创造高温超导新纪录

作者: 埃德温·卡特利奇

来源: 环球科学

发布日期: 2015-07-02

德国科学家在高压下发现硫化氢在203 K(–70 ˚C)的温度下呈现出超导效应,打破了超导温度的记录。这一发现被认为是高温超导领域的重大突破,但仍需其他研究组的数据支持。

为了寻找在室温下完全没有任何电阻的导电材料,科学家们已经努力了很久。而现在,他们或许又往前迈进了一大步。德国科学家发现,在很高的压力下,硫化氢分子在203 K(–70 ˚C)的温度就可以呈现出超导效应,这打破了超导温度的记录。该记录初步证明了他们去年年末公布的发现,目前尚需要其他几个研究组的数据支持。

也有一些物理学家呼吁大家谨慎对待。来自加州大学圣迭戈分校的Ivan Schuller表示,实验结果“看起来很好”,但并不是滴水不漏。然而罗马材料科学与超导条纹国际中心(RICMASS)的主任Antonio Bianconi认为实验结果已经很有说服力了。他认为该发现是继1986年应该科学家发现铜氧化物超导性之后,高温超导领域的又一项重大突破。

去年12月,德国马克斯·普朗克化学研究所的Mikhail Eremets和其他两位物理学家报道说,他们发现了硫化氢在低于190 K的温度下会产生超导性。他们把10微米宽的样品放在金刚石压腔中,对其施加150万大气压的压强,发现当温度降到190 K时,它的电阻率会急剧下降到之前的1/1000,这个阈值温度被称为临界温度。

然而,在当时,研究者没能在该材料上找到超导性的另一个关键特征:迈斯纳效应(the Meissner effect),即超导物质在临界温度以下会对磁场产生排斥。而在最新的研究中,作者与美因茨大学的两位物理学家合作,构建了一个无磁场的腔以防止干扰,并采用了非常精确的磁强计(叫做SQUID)。他们在外磁场中将尺寸为50微米的硫化氢样品加压到200万个大气压,并从略高于绝对零度的温度开始慢慢升温。

最终,在温度达到203 K时观察到样品的“磁化信号”突然增加,这清楚地表明,当样品处于该温度以下时出现了迈斯纳效应(而现在消失了)。

为什么他们这次观察到的临界温度比去年的还要高呢?研究者解释为这是样品的晶体结构与去年的有所不同所导致的(在低温高压的条件下,硫化氢处于固态)。Bianconi说,今年他们在美国物理学会三月会议上报告这件事时,还有很多超导领域的科学家怀疑这一发现,但随着6月中旬研究者在于意大利伊斯基亚岛上举行的RICMASS大会上公布了新的数据以后,与会者都广泛接受了他们的结果。

该会议上,中国与日本的研究组都相继报道他们重复出了硫化氢超导性实验的结果,包括电阻率下降与迈斯纳效应。Bianconi没有说出研究者的名字,因为研究者希望等到Eremets及其同事的论文在同行评议的期刊上发表以后再做公开。Eremets的论文目前可以在论文预印本网站arXiv上查到。

日本大阪大学的物理学家清水克哉宣布他和他的团队利用Eremets提供的样品和他们自己的制冷系统,证实了其在190 K的温度下可以产生电学上的转变。持保留态度的Schuller仍旧认为,德国美因茨的研究组需要更仔细地检查他们的实验条件,以确保他们的发现不是来自于一些未能得到控制的系统误差,比如精密磁化测量当中的背景噪音。

Eremets他们认为,超导性可能来自于高压状态下H3S晶格中产生的振动。

这类振动将电子成对地绑定在一起,因此能无阻力地穿过晶格,正如用来解释常规低温超导现象的巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论一样。他们指出,如果原理真如以上所述,那么其他的含氢化合物可能会有更高的超导温度,甚至达到室温,因为BCS理论并没有设定超导转变温度的上限。但加州大学圣迭戈分校的理论物理学家Jorge Hirsch并不相信晶格振动是正确的解释。

“在我看来,高压硫化氢的超导临界温度为什么这么高仍然是尚未解决的问题。”他说。

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