有压力才会有动力,有动力才能坚持进步。在材料科学中,压力是一种高效合成材料和调控其物性的重要手段。压力能够让材料发生许多神奇的变化,比如黑乎乎的一块石墨,在高温高压下,就有可能变成闪闪耀眼的金刚石。在超导材料研究中,高压是非常重要的方法。在高压下,原材料之间互相接触紧密,化学反应速度要远远大于常压情况,极大地提高了材料制备的效率。常用的高压合成方法有很多,比如多面顶高温高压合成和高压反应釜合成等。
借助高温高压,能实现不少常压下得不到的材料。
在高温超导探索中,高温高压合成同样是神兵利器。铁基超导材料在2008年初发现之后,在短短的数周之内,临界温度从26 K提升到了55 K,靠的就是高温高压合成的高效率和高质量样品。铜氧化物超导材料同样可以借助高温高压合成,例如Ca2CuO2Cl2就是一种需要高压合成的铜氧化物高温超导体。
在高温高压合成的“先天性”高压相比,“后天性”的高压也可以调控超导材料的特征,尤其是临界温度。后期加高压的方法有很多,有类似高温高压的多面对顶压砧,也有活塞圆筒结构的高压包,还有瞬间爆炸释放的超高压力等。最常用的就是金刚石“对顶压砧”:用将两块尖端磨平的金刚石顶对顶压样品,最高静态压力可以达到数百万个大气压。
为什么高压对超导电性能够取得如此惊人的效果?原因有很多。大体认为有三点:减小材料体积同时增大了电子浓度、使材料发生了结构相变促进了新超导相的形成、极大增强了有利于超导的某种相互作用。在高压下,气体可以压缩成液体,液体进一步压缩成固体,固体再被压缩,就可能转化为金属。理论上认为,世界上最轻的元素——氢,在足够高的压力下,就会变成金属氢。
寻找金属氢室温超导之路充满挑战和坎坷,国际上能够胜任这个实验工作的研究组也寥寥无几。科学家转念一想,为啥要死死盯着单质氢呢?如果找氢的化合物,是否也可能实现高压下超导?果不出所料,2014年12月1日,德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A. P. Drozdov和M. I.Eremets宣布在硫化氢中发现190 K超导零电阻现象,压力为150 GPa。
要实现室温超导,还可以使用“组合拳”。2018年5月,德国和英国的科学家对临界温度最高的常规超导之一,K3C60,施加高压的同时引入红外光来诱发瞬间超导,极其短暂寿命的临界温度完全可能突破300 K。如果这些结果都是确切的话,可以说,室温超导已经实现了。
最后,要强调的是,压力山大并不总是对超导有利。有时候高压反而有害,它会压制甚至破坏超导,最严重的是把材料彻底粉身碎骨,再也无法超导。在高压下,因为测量手段主要集中为电测量,若形成其他超导杂相或某些少量杂质高压超导,都会影响到测量结论。