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为什么超导研究正处于“黄金时代”?

更新时间:2024-08-06 20:24作者:小乐

尽管存在争议,上周的撤稿对室温超导的研究造成了打击,但物理学家对该领域的未来持乐观态度。

《自然》 该杂志上周的撤稿结束了有关室温超导性的最新说法——研究人员在这项研究中称,他们已经创造出一种可以导电的材料,不会产生浪费的热量,也不需要制冷。

今年早些时候,关于一种名为LK-99 的超导体的更大胆的说法在社交媒体上引起了轰动,该说法被驳回。

尽管遇到了这些引人注目的挫折,超导研究人员表示该领域正在经历某种程度的复兴(参见“时间轴:超导里程碑”)。罗马第一大学计算预测专家、物理学家莉莉亚·博埃里(Lilia Boeri) 表示:“这并不是一个正在消亡的领域,恰恰相反。”这种进步在一定程度上是由计算机模拟预测未发现材料的存在和特性的新能力推动的。

大部分令人兴奋的事情都集中在“超级氢化物”上——一种富含氢的材料,它们在保持高压的同时表现出越来越高的超导温度。一种由氢、镥和氮组成的材料是已撤回的论文《自然》 的主题。但在过去的几年里,研究人员发现了几种可能具有革命性特性的材料。爱荷华州立大学和艾姆斯国家实验室的物理学家保罗·坎菲尔德说:“我们似乎确实处于能够发现许多新超导体的边缘。”电子冲浪

当固体中的电子结合形成库珀对时,就会发生超导。这允许比平常更多的电子在材料内同时移动,从而允许电子携带电流而不会产生浪费的热量。

在“常规”超导体中,电子通过材料中的振动形成库珀对——这些振动是机械波,库珀对像冲浪者一样在波浪上滑行。直到2000年代中期,研究人员普遍认为这种机制只能在极低的温度下工作,最高约40开尔文。由单一元素组成的超导体都需要低于10 开尔文的温度才能表现出这种特性。二硼化镁是一种传统超导体,由日本冈山大学的Jun Akimitsu领导的团队于2001年发现,将最高温度记录提高到39开尔文。

已故理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft) 于2004 年提出了超级氢化物的基础,他预测某些元素会与氢形成化合物,在足够的压力下,该化合物能够在比任何其他材料高得多的温度下实现超导,这种压力迫使氢原子走得更近。

根据阿什克罗夫特的理论,氢原子的接近会增加机械振动的频率,从而导致材料变得更热,同时保持超导性。但存在一个问题:其中一些材料的存在需要与地核相当的压力。

2015 年,德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Miha、Mikhail Eremets 和他的合作者首次证明了在微小样品上进行高压实验并测量其结果的进展取得了突破。硫化氢(一种超氢化物)的超导性。从那时起,科学家们预测了该家族中其他几种超导材料的存在,其中一些已经被发现,包括称为包合物的钙基笼状结构。

目前,任何类型中“最热门”的超导体都被认为是超氢化物类的成员——十氢化镧,它已被证明是在至少250 开尔文温度下的高压、传统超导体。高级模拟

埃雷梅茨和其他人表示,理论、模拟、材料合成和实验之间的相互作用对于进展至关重要。自2000 年代初以来,模拟已经可以预测具有一定晶体结构和化学成分的材料是否可以成为超导体,以及在什么温度下它会表现出这种特性。但下一个重大转变发生在那个十年后期,随着算法的引入,这些算法不仅能够预测材料的特性,还能预测给定的元素混合物可以形成什么材料。 “在那之前,我们还缺少一个关键部分:首先了解化合物是否可以形成,”博埃里说。

2015 年发现硫化氢是超导体,这与前一年进行的计算机模拟一致。莫斯科斯科尔科沃科学技术研究所的材料科学家Artem O 表示,如果没有结构预测方面的快速进展,富氢超导体的发现“可能再过一个世纪就不会发生”。结构预测算法的先驱Artem Oganov 说道。他的“进化”算法尤其能够找到在给定压力下具有最低能量的原子构型,从而找到形成并保持稳定的最佳机会。

模拟对于预测材料在高压下的行为尤其重要,在高压下,原子被推得很近,以至于它们不仅开始与外部电子相互作用,而且还与更内部的电子相互作用,这使得化学教科书的教条被抛在一边。一个例子是六氢化锂,它只能在高压下存在。纽约州布法罗大学计算化学家Eva Zurek 表示:“任何上过普通化学课的人都会告诉你,像LiH6 这样的物质不可能是稳定的。” ”

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