在APS March meeting會(huì)議現(xiàn)場，報(bào)告廳里擠滿了各路物理大牛。包括高溫超導(dǎo)先驅(qū)朱經(jīng)武教授，以及此前一直在質(zhì)疑室溫超導(dǎo)的日內(nèi)瓦大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家Dirk van der Marel。
△圖源：周華@aps，左一為朱經(jīng)武
而在報(bào)告廳外，更是擠滿了大批未能入場的物理學(xué)研究者，以至于保安需要不斷驅(qū)散人群，防止消防隱患。交流磁化率測試邁斯納效應(yīng)比熱容測試超導(dǎo)性電阻測試超導(dǎo)性?會(huì)議現(xiàn)場圖片來源：APS March meeting參會(huì)者超導(dǎo)材料所表現(xiàn)出的無電阻特性，在常溫常壓條件下具有巨大的應(yīng)用潛力。盡管人們已進(jìn)行了數(shù)十年的密集研究，但這樣的狀態(tài)還沒有實(shí)現(xiàn)。在環(huán)境壓力下，銅酸鹽是表現(xiàn)出超導(dǎo)最高臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)的材料類別，最高可達(dá)133 K。在過去的十年中，以氫為主的合金的高壓“化學(xué)預(yù)壓縮”引領(lǐng)了對高溫超導(dǎo)性的研究，已證明在兆巴壓力下，Tc接近二元?dú)浠镏械乃谋c(diǎn)。三元富氫化合物，如碳質(zhì)硫氫化物，為潛在地改善超導(dǎo)氫化物的性能提供了更大的化學(xué)空間。在此，來自美國羅切斯特大學(xué)的Ranga P. Dias等研究者報(bào)道了氮摻雜氫化镥在10 kbar的最大Tc為294 K的超導(dǎo)性的證據(jù)，即在室溫和近環(huán)境壓力下的超導(dǎo)性。相關(guān)論文以題為“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”于2023年03月08日發(fā)表在Nature上。長期以來，人們一直預(yù)測致密的單質(zhì)氫是一種非常高溫的超導(dǎo)體，然而所需的極高壓力給確認(rèn)這些超導(dǎo)相帶來了挑戰(zhàn)。超氫化物材料有望在低得多的壓力下，保持致密單質(zhì)氫的超導(dǎo)特性。在150 GPa壓力下預(yù)測了CaH6超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)為220-235-K，以及在155 GPa下203-K Tc H3S的分水嶺式的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了一場材料發(fā)現(xiàn)的熱潮，目前，幾乎所有可能的高壓氫化物體系的二元體系都已建模。最近對YH6異常高Tc的觀測表明，在較低的氫含量和較低的壓力下，可以實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)。由于主要的發(fā)現(xiàn)都是在大于兆巴的壓力下發(fā)現(xiàn)的，因此目標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到進(jìn)一步降低所需的壓力，重點(diǎn)是三元?dú)浠锘衔锏木薮髽悠房臻g。在金屬氫化物中作為摻雜劑的輕元素，預(yù)計(jì)有兩個(gè)主要的有益影響。首先，從Li-Mg-H體系的臨界溫度接近500 K(盡管仍處于兆巴狀態(tài))以及虛擬晶體近似模擬和最近的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明摻雜LaH10框架后轉(zhuǎn)變溫度至少增加了25 K等例子中可以看到Tc的預(yù)測增加。第二，第三種元素的加入可以大大增強(qiáng)富氫晶格的穩(wěn)定性，從而降低其穩(wěn)定的壓力范圍。LaBH8預(yù)計(jì)將穩(wěn)定到20-40 GPa，同時(shí)保持其高溫超導(dǎo)性，金屬-硼-碳包合物預(yù)計(jì)將在環(huán)境壓力下保持其超導(dǎo)性。通過引入第三種元素來增加Tc的穩(wěn)定性，為在亞兆巴壓力下將氫化物超導(dǎo)體推到更高的Tc值提供了可能性。由于三元稀土氫化物中有大量的相空間未被模擬開發(fā)，目前需要合理的化學(xué)設(shè)計(jì)來確定下一個(gè)候選材料。對La和Y二元超氫化物進(jìn)行了預(yù)測和測量，采用類似的高壓化學(xué)計(jì)量和相，在等效壓力下顯示出更高的Tc。Y3+陽離子的較小尺寸，為這種行為提供了一個(gè)簡單的化學(xué)原理。而離子半徑更小的Sc氫化物，則具有完全不同的結(jié)構(gòu)和更低的Tc。由于鑭系元素的收縮作用，重于Dy的鑭系元素提供了與Y相當(dāng)或更小的三價(jià)離子半徑，但存在復(fù)雜的f電子。盡管鑭系化合物中的4f電子在環(huán)境條件下，通常是原子局域化和半價(jià)的，但部分占據(jù)4f態(tài)的固有磁性或在壓力下向費(fèi)米能級的遷移可能不利于超導(dǎo)性質(zhì)。雖然高壓YbHx體系的合成工作產(chǎn)生了與La和Y體系不同的結(jié)構(gòu)，可能是由于d電子轉(zhuǎn)移到未占據(jù)的f態(tài)，預(yù)測表明，由于在費(fèi)米能級附近的4f電子的強(qiáng)電子相關(guān)性，這兩個(gè)最重的鑭系氫化物應(yīng)該能夠達(dá)到Tc≥145 K的兆巴。人們認(rèn)為，在次兆巴狀態(tài)下達(dá)到高Tc的原因有雙重。首先，超過半滿的4f價(jià)態(tài)抑制了聲子軟化，其次，它們對相對于過渡金屬(Y和La)稀土的電子-聲子耦合有一定的增強(qiáng)作用。結(jié)合輕原子摻雜的好處和價(jià)態(tài)中4f電子的存在，可以提高富氫稀土氫化物在較低壓力下的穩(wěn)定性，同時(shí)有可能增強(qiáng)其超導(dǎo)性能。在此，研究者給出了在294 K和10 kbar壓力下，三元镥-氮-氫化合物的超導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，其中完整的4f殼層的結(jié)合以及氮的電子捐贈(zèng)和化學(xué)壓力，驅(qū)動(dòng)了氮摻雜氫化镥的Tc和壓力穩(wěn)定性進(jìn)入近環(huán)境狀態(tài)。測量的超導(dǎo)性能是在零溫度下，基于Ginzburg-Landau (GL)模型以及在上臨界磁場為88特斯拉的外部磁場下，觀測到零電阻、交流磁化率和直流磁化率以及場冷，磁化強(qiáng)度M-H曲線、熱容、電壓-電流(V-I)曲線以及Tc的降低。研究表明，該化合物在高壓高溫條件下合成，然后在完全回收后，沿壓縮路徑檢測其材料和超導(dǎo)性能。這些包括有和沒有施加磁場的溫度依賴性電阻，磁化(M)與磁場(H)曲線，交流和直流磁化率，以及熱容測量。通過元素分析、EDX測量、XRD、拉曼光譜和密度泛函理論(DFT)模擬對其組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然而，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和模擬來確定氫和氮的確切化學(xué)計(jì)量，以及它們各自的原子位置，以更大的努力進(jìn)一步了解材料的超導(dǎo)狀態(tài)。圖1. 近環(huán)境壓力下镥-氮-氫的超導(dǎo)性圖2. 镥-氮-氫體系的溫度依賴性和場依賴性電阻及V-I行為圖3. 磁化率圖4. 超導(dǎo)镥-氮-氫體系比熱容的測量圖5. 镥-氮-氫超導(dǎo)體系的XRD研究對此，同期Nature期刊邀請了來自中國科學(xué)院物理研究所的靳常青和美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的David Ceperley，對這篇文章發(fā)表了評述。VIEWs的文章名為“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain”，顯而易見，兩位科學(xué)家對此發(fā)現(xiàn)是驚喜的，但同時(shí)也有疑慮。疑慮的原因估計(jì)是，早在2020年，Dias小組在Nature發(fā)表文章，宣稱：三元?dú)浠铮–-S-H）在267GPa的超高壓下，實(shí)現(xiàn)了Tc為15°C的超導(dǎo)電性。這項(xiàng)工作一出來，就被譽(yù)為是諾獎(jiǎng)級的工作。遺憾的是，由于其他物理學(xué)家爭相重復(fù)其實(shí)驗(yàn)，但沒有一個(gè)得到相同結(jié)果，因此，這篇Nature在2022年9月被撤稿了。撤稿半年后，Dias又帶著新的三元?dú)浠铮∟-Lu-H）卷土重來，在不那么極端的高壓（1GPa）下，實(shí)現(xiàn)了更高的Tc。這一次，壓強(qiáng)更低了，Tc更高了。你說，能不讓同行們對此存有疑惑嗎？接下來，估計(jì)要在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，掀起新的一波對高溫超導(dǎo)的研究，而這篇Nature會(huì)被人們反復(fù)提及，反復(fù)重復(fù)，能否經(jīng)得住大家的檢驗(yàn)，讓我們靜靜等待吧。可想而知的是，一旦其他的實(shí)驗(yàn)組能夠在相同壓力和溫度下，重復(fù)其工作，那么基本可以宣告，這篇Nature預(yù)定了諾獎(jiǎng)，也告示著室溫超導(dǎo)“圣杯”的攻破。而它對工業(yè)界帶來的影響，也將是顛覆性的。文獻(xiàn)信息Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R.?et al.?Evidence ofnear-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride.?Nature?615, 244–250 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9
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