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天天消息!美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)近常壓室溫超導(dǎo)材料?專家稱“先讓子彈飛一會(huì)兒”
2023-03-12 05:47:54 來(lái)源: 羅斯切特大學(xué)

近日,美國(guó)羅切斯特大學(xué)的迪亞斯(Ranga Dias)及其團(tuán)隊(duì)在美國(guó)物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上宣布發(fā)現(xiàn)“近常壓室溫超導(dǎo)材料”,這是一種镥-氮-氫三元化合物(NDLH),其在1萬(wàn)個(gè)大氣壓下(1GPa)可以實(shí)現(xiàn)最高溫度為294 K(約21°C)的超導(dǎo)電性。


【資料圖】

該事件一經(jīng)傳播便引發(fā)了廣泛的討論,其一是若該研究成果真實(shí)可靠,則刷新了超導(dǎo)材料新的臨界溫度以及此前動(dòng)輒需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力需求,將有望改變?nèi)祟愂褂谩⒋鎯?chǔ)和傳輸能源的方式,顛覆現(xiàn)有能源產(chǎn)業(yè);其二是迪亞斯2020年就宣稱發(fā)現(xiàn)過(guò)“室溫超導(dǎo)”材料并將相關(guān)論文刊登在了《自然》上,但其研究成果無(wú)法被其他實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn),最終被《自然》撤稿,此次新研究成果公布后,多位學(xué)界人士也持觀望態(tài)度。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員、超導(dǎo)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任尤立星告訴新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者,迪亞斯得到的結(jié)果還需要進(jìn)一步確認(rèn),“即使確認(rèn)了,一萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓還是沒(méi)法直接應(yīng)用,材料還需要進(jìn)一步改進(jìn),距離真正應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)?!?/p>

北京時(shí)間3月10日,新京報(bào)貝殼財(cái)經(jīng)記者向迪亞斯的郵箱發(fā)送了采訪問(wèn)題,但截至發(fā)稿尚未收到對(duì)方回復(fù)。

迪亞斯(左)和同事在高級(jí)光譜實(shí)驗(yàn)室中調(diào)整激光陣列。 圖片來(lái)源:羅斯切特大學(xué)

“室溫超導(dǎo)材料”是啥?迪亞斯團(tuán)隊(duì)是如何發(fā)現(xiàn)的?

據(jù)新華社報(bào)道,超導(dǎo)體是指在特定溫度下可實(shí)現(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體,是一種比常規(guī)導(dǎo)體更為優(yōu)越的無(wú)損耗導(dǎo)電材料?,F(xiàn)有超導(dǎo)材料大多需要在極低溫度下才能工作,這大大限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。研發(fā)出一種室溫超導(dǎo)材料一直是全球物理學(xué)界尋求突破的方向。

所以,迪亞斯(Ranga Dias)及其團(tuán)隊(duì)一宣布該研究成果就轟動(dòng)了科學(xué)界。那么,其是如何發(fā)現(xiàn)的呢?

近年來(lái),通過(guò)將稀土金屬與氫結(jié)合,然后添加氮或碳而制成的氫化物為研究人員提供了制造超導(dǎo)材料的“工作配方”。而在此次研究中,迪亞斯探索了元素周期表的其他地方,他認(rèn)為“镥看起來(lái)像一個(gè)很好的嘗試者?!?/p>

根據(jù)羅切斯特大學(xué)官方網(wǎng)站發(fā)布的消息,迪亞斯的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種99%氫氣和1%的氮?dú)饣旌衔铮瑢⑵浞湃胙b有純镥樣品的反應(yīng)室中,讓組分在392華氏度(約200°C)下反應(yīng)兩到三天。由此產(chǎn)生的镥-氮-氫化合物最初是“有光澤的藍(lán)色”,而當(dāng)化合物在金剛石砧單元中被壓縮時(shí),發(fā)生了“驚人的視覺(jué)轉(zhuǎn)變”:超導(dǎo)開(kāi)始時(shí)逐漸由藍(lán)色變?yōu)榉奂t色,然后變成了鮮紅色的非超導(dǎo)金屬狀態(tài)。

“這是一種非常鮮艷的紅色,看到這種強(qiáng)度的顏色令我感到震驚。”迪亞斯說(shuō)。需要注意的是,對(duì)于該材料,誘導(dǎo)超導(dǎo)特性所需要的壓力相比迪亞斯實(shí)驗(yàn)室先前所需要的壓力還要低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

迪亞斯表示,他利用實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法,從數(shù)千種可能的稀土金屬,氮、氫和碳的組合中進(jìn)行混合和匹配,以預(yù)測(cè)其他可能的超導(dǎo)材料。

發(fā)現(xiàn)者曾有“前科” 多數(shù)科學(xué)家質(zhì)疑,仍需重復(fù)驗(yàn)證

不過(guò),鑒于迪亞斯此前曾有兩次“前科”,有不少學(xué)界人士對(duì)此人的研究成果表示質(zhì)疑。

2017年,當(dāng)時(shí)在哈佛大學(xué)的迪亞斯和他的導(dǎo)師伊薩克·西維拉在雜志上發(fā)表的一篇同行評(píng)議論文中聲稱發(fā)現(xiàn)了“金屬氫”。但其后他表示因?qū)嶒?yàn)中操作失誤,氫泄漏導(dǎo)致金剛石爆炸,無(wú)法再做實(shí)驗(yàn),但此后其他實(shí)驗(yàn)室在相同的實(shí)驗(yàn)條件下并未獲得氫金屬化的證據(jù),“金屬氫”也因此飽受質(zhì)疑。

2020年,迪亞斯團(tuán)隊(duì)則在《自然》雜志論文中報(bào)告了一種含碳、硫、氫的化合物在15℃下表現(xiàn)出超導(dǎo)性能,這已經(jīng)屬于“室溫超導(dǎo)”范疇。但同樣因?yàn)槠渌麑?shí)驗(yàn)室無(wú)法復(fù)現(xiàn)該結(jié)果,2022年9月,《自然》雜志編輯部因這一論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遭質(zhì)疑等原因撤掉了這篇論文。

瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家范德馬雷爾((Dirk van der Marel))是致使迪亞斯團(tuán)隊(duì)上個(gè)“室溫超導(dǎo)”研究被撤稿的人之一。而此次迪亞斯發(fā)布“近常壓室溫超導(dǎo)材料”時(shí),范德馬雷爾也在報(bào)告廳中聽(tīng)完了迪亞斯的演講,對(duì)此他公開(kāi)表示鑒于迪亞斯團(tuán)隊(duì)有被《自然》撤稿的情況,由一個(gè)獨(dú)立的小組對(duì)LuH2(氫化镥)的新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)將比以往任何時(shí)候都更為重要。

對(duì)于迪亞斯此次的研究有何具體疑點(diǎn),中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟3月10日發(fā)文稱,令業(yè)界十分困惑的是其數(shù)據(jù)結(jié)論,該材料竟然在壓力30 kbar(千巴)以下就已經(jīng)有200 K(開(kāi)爾文)以上的超導(dǎo)電性了,而且壓力越低,超導(dǎo)臨界溫度Tc越高。最高的臨界溫度在10 kbar左右達(dá)到294 K,此后更低壓力下超導(dǎo)溫度下降到100 K以下。更匪夷所思的是,這個(gè)材料在常壓是藍(lán)色的小晶體,加壓之后會(huì)變成粉色,最后變成了紅色,和傳統(tǒng)金屬氫化物超導(dǎo)體觀測(cè)到的黑色樣品完全不一樣。如此反常的溫度-壓力相圖和奇怪的顏色變化,令人十分狐疑。

羅會(huì)仟認(rèn)為,論文中給出的分子式里,镥和氮的比例幾乎是1:1,氫的含量只有3左右,這和大家熟悉的稀土氫化物含氫在5和6甚至更多的情況不符。在氫含量如此低的情況下,根據(jù)他們給出的材料結(jié)構(gòu),氫原子的間距還很大,幾乎可以排除是來(lái)自氫元素本身的超導(dǎo)。這些奇特的現(xiàn)象,令人似乎覺(jué)得“即使這個(gè)材料超導(dǎo)是真的,也不太像是傳統(tǒng)的BCS超導(dǎo)體了?!?/p>

超導(dǎo)材料若獲突破有何意義?超導(dǎo)時(shí)代要來(lái)了?

那么,如果該項(xiàng)研究結(jié)果為真,將產(chǎn)生什么影響呢?

尤立星對(duì)貝殼財(cái)經(jīng)記者表示,即使迪亞斯的研究成果經(jīng)過(guò)了確認(rèn),一萬(wàn)個(gè)大氣壓的高壓還是沒(méi)法直接應(yīng)用,材料還需要進(jìn)一步改進(jìn),距離真正應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

羅會(huì)仟表示,迪亞斯論文里提到的“近常壓”(10 kbar)其實(shí)離我們熟悉的常壓(1 bar,即1個(gè)大氣壓)還很遠(yuǎn),事實(shí)上,一萬(wàn)個(gè)大氣壓,比世界上最深的馬里亞納海溝的壓力還要強(qiáng)上十倍,如此高的壓力,如何方便規(guī)?;a(chǎn)業(yè)應(yīng)用?更何況,高壓下制備的樣品量是極少的,大部分是微克、毫克量級(jí),壓力腔大的裝置生產(chǎn)的樣品也不過(guò)數(shù)克而已,面對(duì)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用達(dá)到噸量級(jí)的產(chǎn)量,就是一條無(wú)法逾越的鴻溝。

不過(guò),對(duì)超導(dǎo)材料進(jìn)行突破仍然有著極其深遠(yuǎn)的科學(xué)意義,這是因?yàn)槌瑢?dǎo)材料有零電阻和完全抗磁性兩個(gè)特性,可應(yīng)用在可控核聚變、電力輸送、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)成像等多個(gè)領(lǐng)域。

目前,可應(yīng)用的超導(dǎo)材料往往需要極低溫度才能達(dá)成超導(dǎo)特性,這對(duì)超導(dǎo)材料的應(yīng)用在成本上是一個(gè)很大的限制,如果“常溫常壓超導(dǎo)材料”能夠發(fā)現(xiàn),那么技術(shù)原理清晰但成本高昂的磁懸浮列車將有可能廣泛應(yīng)用,電力輸送時(shí)因電阻導(dǎo)致的電能損耗也將為零,我國(guó)每年節(jié)省下來(lái)的電能據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)分析能夠達(dá)到1000多億度。

根據(jù)羅切斯特大學(xué)官方網(wǎng)站消息,迪亞斯表示,通往超導(dǎo)消費(fèi)電子產(chǎn)品、能量傳輸線、運(yùn)輸以及聚變磁約束的重大改進(jìn)的途徑現(xiàn)在已成為現(xiàn)實(shí),“我們相信我們現(xiàn)在正處于現(xiàn)代超導(dǎo)時(shí)代。”

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