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超导的西伯利亚

我们是如何打破高温超导体的世界纪录的。

去年5月中旬,我们意识到我们发现了一些东西。米哈伊尔·埃雷米茨和亚历克斯·德罗兹多夫

直到去年5月中旬,我们才意识到我们发现了一些东西。

我们当时正在测量一个压在铁砧上两个钻石之间的小球的电学性质。这个铁砧可以施加200万大气压,大约是地球中心压力的一半。理论家们已经计算出,在这样的极端压力下,温度在123摄氏度到负73摄氏度之间,金属氢会失去所有的电阻。它会成为一个完美的导体,让电流永远流过它。

这可能是件大事。真正的室温超导性可以实现无损电力传输、高速列车、悬浮、新型计算机——天空才是极限。但是室温下的超导性是(现在也是)不可能达到的——当我们做实验的时候,在正常压力下,没有比负130摄氏度更高的温度了。

因此,受到理论预测的启发,我们开始寻找一种含有大量氢的化合物。我们尝试了硅烷(四个氢原子和一个硅原子结合),但它在极冷的负256℃下变得超导。

没有人想到人们会在铜系中发现超导性。

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《星球大战武器科学》

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我们最终转向硫化氢,它是由压缩在硫原子晶格中的氢原子组成的。理论学家预测,它在负193 c时将成为超导——也不是那么令人印象深刻。它是有毒的,气味难闻,以至于它被添加到天然气中,警告人们泄漏。

但是硫化氢很容易得到。所以我们用它做了一个小球,大约人类头发的宽度。5月17日,我们清楚地看到,在负223摄氏度的温度下,超导行为(或零电阻率)发生了转变。这比预测的温度低,而且远低于最好的超导体。

但结果鼓励了我们,我们开始尝试复制它。在接下来的三个月里,我们进行了非常艰苦的工作,在零下220摄氏度的寒冷温度下徘徊,研究超导系统的细节,研究压力和温度。

然后我们遇到了一些幸运的转机。

硬挤出:一种用于铁砧的钻石的电子显微照片,它可以对一个样品施加数百万个大气压。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室


T超导的历史充满了侥幸、幸运和意外的发现。卡默林·昂尼斯(Kamerlingh Onnes)是第一个发现超导性的人,并不是在寻找它。他已经着手证明,金属的电阻在冷却时逐渐接近于零,在绝对零度时变成零。相反,他看到固体汞的电阻在绝对零度以上4度时突然下降到零。更重要的是,昂尼斯还是第一个发现氦转变为超流体的人,这种超流体可以无阻力流动。但他完全错过了超流体,因为他并没有在寻找它。1937年,它被彼得·卡皮察发现,为他赢得了诺贝尔奖。卡梅林最初的实验有两个值得诺贝尔奖的结果!

在铜酸盐(一种掺杂金属原子的陶瓷)中发现超导性也是完全出乎意料的。科学界大多数人花了许多年的时间试图提高金属合金的超导转变温度。没有人想到人们会在铜酸盐体系中发现超导性,直到他们成为世界上的佼佼者,并在零下135摄氏度左右创造了高温超导性的记录。

幸运的是,我们也有自己的幸运之处。8月22日,我们其中一个金刚石电池的加压装置使我们不能在低温下增加压力。于是我们开始加热样本。当我们看到数据时,我们看到了完全意想不到的事情:样品的抗性是减少与气候变暖!它向超导转变的温度比我们想象的要高得多。我们惊讶地看到转变达到了负120摄氏度。

这个结果迫使我们重新审视早期实验的数据。当我们这样做时,我们发现超导跃迁的非常微弱的迹象高达负100摄氏度——这是世界纪录。这些早期的测量并不是在理想的环境下进行的,而是使用三个电触点而不是四个我们需要确保数据安全的电触点。但即使是在早期,粗略的数据表明,在我们的样本中有一些全新的东西正在发生。

我们后来知道,我们的硫化氢(H2S)颗粒意外解离为硫鎓(H3.理论计算完全忽略了这一过程,我们也没有预料到。但这种分离是至关重要的。硫鎓中的氢原子被周围的硫原子挤压,这种效应被称为化学压缩,有效地增加了我们施加的压力。与此同时,硫鎓基本上仍然可以被认为是纯金属氢原子,这样我们就可以将它与理论预测的材料进行比较。大约92%的超导行为是由其氢原子的晶格决定的,只有8%是由固定氢原子的硫原子决定的。

当我们继续进行我们的实验时,我们看到温度越来越高。到目前为止,观察到的最温暖的超导转变是负110摄氏度,这是在压力下的铜酸盐。我们的方法使我们达到了负70摄氏度的过渡。

现在,温度仍然很低。但要记住,磁场开始时的温度是负269摄氏度。负70摄氏度的温度会高得多。事实上,它们在地球上很多地方的户外都有出现,比如俄罗斯雅库茨克的冬天,那里的气温曾一度达到零下64摄氏度。对一些人来说,这已经是室温超导性了,或者更准确地说,街道温度超导性。运气好的话,我们很快会搬到一个更靠南的城市。


Mikhail Eremets和Alex Drozdov是德国马克斯·普朗克化学研究所的物理学家。

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