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2020-10-16
室温下实现碳—硫—氢体系超导。图片来源：ADAM FENSTER
10月14日，《自然》报道了美国罗切斯特大学物理学家Ranga Dias联合内华达大学等团队在室温超导领域的重大突破：实现287K（约15℃）温度下的碳—硫—氢体系超导。
但这种新型室温超导体只能在267GPa（相当于地球中心压力3/4）的压力下工作。换句话说，如果研究人员能够将这种材料稳定在环境压力下，超导应用普及的梦想就有望实现，比如用于核磁共振成像和磁悬浮列车、无耗散电流传送和不需要冷却的超强超导磁体等。
“这是一个里程碑。”英国剑桥大学物理学家Chris Pickard说。但是，美国加州大学圣迭戈分校物理学家Brian Maple认为，该实验的极端条件意味着，尽管它“相当惊人”，但“这肯定不会对制造中的设备有用”。
研究人员将碳和硫元素形成的混合物球磨成5微米以下的颗粒，随后装载到金刚石压砧（产生超高压的装置）中，并充入高压氢气。在加压的状态下，用紫外光照射，压力和光辐射共同驱动S-S键的光分解，形成硫自由基，并与氢分子反应生成硫化氢，最终制出均匀透明的晶体。
当将压力提高到148GPa并表征电导率时，研究人员发现材料在147K时变成了超导体。将压力进一步增加到267GPa，研究小组达到了287K的超导“临界温度”，磁性测量也表明样品已经变成了超导体。
中国科学院物理研究所研究员靳常青表示，该研究提供了旨在证明超导两个最基本特性的实验结果，即零电阻和抗磁性。
靳常青告诉《中国科学报》，在超高压环境下，样品的量非常小，在文章所述的微米级尺度下检测样品电阻，尤其是磁信号的实验难度非常大。
“这个实验结果如能得到其他研究组的进一步确认，对超导的基础研究和潜在的室温大规模应用而言，都是相当令人鼓舞的进展。科学家需要继续深入认识构效关系，比如通过化学掺杂，如何在较低压力甚至常压下实现室温和更高温度超导。”靳常青说。
实际上，硫化氢在高压下会变身高温超导体，曾被中国科学家“预言”。2014年，吉林大学教授马琰铭、崔田团队各自通过理论计算预测：硫化氢在160GPa下超导临界温度为80K；硫化氢与氢的复合结构在200GPa下超导临界温度在191K至204K之间。
2015年，德国马普学会化学研究所物理学家Mikhail Eremets团队在高压条件下的硫化氢结构中达到了203K（约-70℃）的超导临界温度。2019年，Eremets团队再次在《自然》发文报告了镧—氢化物在170GPa、250K（约-23℃）的超导性，这也是此前高温超导体的最高临界温度纪录。
Eremets表示，此次最新研究似乎提供了关于高温电导率令人信服的证据。但他指出，Dias小组还不能确定超导化合物的精确结构，他希望从实验中看到更多的“原始数据”。
Dias等人表示很快就会着手解决这个问题，而且他们可能也会用其他元素来替代三组分混合物，希望能产生温度更高的超导体。
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