重压出超导

作者: 迟振华

来源: 中国科学院合肥物质科学研究院

发布日期: 2018-02-09 07:30:00

本文介绍了超导现象及其应用前景,详细讨论了二硫化钼在高压下转变为超导体的过程和意义,展示了我国科学家在这项技术上的突破。

超导是超导电性的简称,指的是某些材料在降温到某一特定温度以下时,电阻突然消失为零的现象,此类材料被称作超导体。1911年荷兰科学家卡默林-昂内斯意外发现:当温度降至4.2 K附近时,汞的电阻突然下降到仪器测量不到的最小值,在测量误差范围内基本可认为是零电阻。除了零电阻,超导体的另一个本征属性是完全抗磁性,又称作迈斯纳效应,即磁力线几乎无法穿透到超导体的内部。

经过一百多年的发展,目前已发现的超导家族成员主要包括:金属和合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导材料。超导态的零电阻和完全抗磁性两个本征属性蕴含着丰富的应用前景,主要包括超导输电和超导磁体。

二硫化钼,属于过渡金属二硫属化物大家庭的一员,具有和石墨类似的层状结构,是一种广泛应用的固体润滑剂和催化剂,同时又是一种半导体。如果不经任何物理或化学手段处理,二硫化钼不是超导体。目前,将其转变成超导体的手段主要是层间插入法和电场调控。相较于上述两种手段,高压手段由于具有干净高效的优势,在发现新超导体方面扮演着重要的角色。

高压,可以理解为高于一个大气压的压强,元素周期表中大多数元素在高压下都是超导体,包括自然界最简单的元素氢和我们每天吸入的氧。2015年,德国科学家发现具有臭鸡蛋气味的硫化氢在高压下也是超导体,临界温度在零下70度左右,接近地球表面极寒地区的温度。

近日,中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所与强磁场科学中心联合科研团队在超高压下观测到了二硫化钼的超导行为,研究人员在自主搭建的高压综合测试平台上,利用金刚石对顶砧产生的超高压条件,通过测量低温电阻发现:二硫化钼在90 GPa(90万大气压)左右的压强下开始变成超导体,在更高的压强下,超导转变临界温度可高达12 K。相关研究成果被选为编辑推荐文章刊登在国际物理类顶尖期刊《物理评论快报》上。

二硫化钼是第一个在超高压下转变成超导体的过渡金属二硫属化物家族半导体成员,超高压电阻测量技术的成功运用表明我国科学家已经掌握了这项核心技术。硫化氢在超高压下的超导转变温度(零下70度)是目前最接近室温超导的记录,我们将利用掌握的超高压实验测量技术在探索新超导体甚至室温超导体方面开展更多的研究工作。

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