科學家在巨大的壓力下解開了超導體的謎團
超導體是允許電流無阻力流動的材料。這種獨特的能力使它們對於高效能量傳輸、能量存儲、磁懸浮系統和量子計算機技術極具價值。
挑戰在於，超導性通常只在非常低的溫度下發生，遠低於日常條件。這種限制阻礙了實際應用的推廣。隨著富氫材料超導性的發現，這種情況開始改變。硫化氫（H3S）在203開爾文（-70℃）時成為超導體，十氫化鑭（LaH10）在250開爾文（-23℃）時達到超導性。這些溫度比以前的超導體高得多，並且高於液氮的沸點，這就是為什麼科學家將它們歸類為高溫超導體。他們的發現標誌著朝著室溫超導的長期目標邁出了重要一步。
超導間隙及其重要性
超導性的核心是一種稱為超導間隙的特徵。這一特性顯示了電子如何聚集在一起形成超導狀態，並作為區分超導體與普通金屬的清晰特徵。
了解超導能隙至關重要，因為它直接反映了電子在材料內如何相互作用。如果不測量這個間隙，科學家就無法完全解釋為什麼材料會成為超導體，或者是什麼機制使電阻消失。
為什麼超導氫如此難以測量？
儘管富氫超導體 H 很重要，3S一直很難學。這些材料只能在超過大氣壓一百萬倍的極端壓力下才能產生。由於這些極端條件，隧道光譜和角分辨光電子光譜等技術無法應用。
因此，這些材料中的超導間隙仍然無法測量，這使得科學家對高溫超導如何在富氫化合物中發揮作用的理解存在巨大差距。
一種新的隧道技術打破了障礙
為了解決這個問題，美因茨馬克斯·普朗克研究所的研究人員開發了一種可以在這些極端壓力下運行的平面電子隧道光譜方法。這種新方法使得直接研究超導H能隙成為可能3第一次S。
通過這項技術，研究小組獲得了富氫材料超導狀態的清晰圖像，克服了多年來限制該領域進展的障礙。
測量結果揭示了什麼
研究人員發現H3Sk 具有約 60 毫電子伏 (meV) 的完全開放超導能隙。他們還研究了氘的對應物 D3S，其範圍較小，約為 44 meV。氘是氫的一種同位素，並且還有一個中子。
這種差異很重要，因為它證實了 H 的超導性3S是由電子和聲子之間的相互作用引起的。聲子是材料原子晶格的量子化振動。這些結果支持了長期以來關於富氫化合物超導性背後機制的理論預測。
為什麼這一進展很重要
對於美因茨研究人員來說，這項成就超越了技術上的成功。它為理解氫基材料高溫超導的基本起源提供了基礎。 “我們希望通過將這種隧道技術擴展到其他超導氫化物，我們將能夠確定在更高溫度下實現超導的關鍵因素。這最終應該能夠開發出可以在更實際條件下運行的新材料，”現已發表的研究的第一作者馮杜博士說。
於2024年11月去世的高壓超導研究領軍人物Mikhail Eremets博士將這項研究描述為“自Hn超導發現以來氫化物超導領域最重要的工作。32015 年。 ”馬克斯·普朗克化學研究所高壓化學和物理項目負責人瓦西里·明科夫補充道：“米哈伊爾關於在室溫和中等壓力下工作的超導體的願景通過這項工作離現實又近了一步。 ”
超導簡史
超導性是指某些材料在沒有電阻的情況下傳導電流的能力。 Heike Kamerlingh Onnes 於 1911 年首次在純汞中發現了它。幾十年來，科學家們認為這種現像只能在接近絕對零（-273°C）的溫度下發生。
這種假設在 20 世紀 80 年代末發生了變化，當時 Georg Bednorz 和 Karl Alexander Müller 發現了氧化銅超導體（也稱為銅酸鹽），它在常壓下表現出高溫超導性。這一發現引發了世界各地的研究努力。
隨著時間的推移，科學家達到了臨界溫度（時間c) 在大氣壓下約為 133 K，在高壓下約為 164 K。直到富含氫的化合物出現之前，進展陷入停滯。
富氫材料突破界限
超導性H的發現3S 在兆巴壓力下，具有 時間c = 203 K Mikhail Eremets 博士領導的研究小組代表了一個轉折點。此後不久，在富氫金屬氫化物（例如 YH9）中觀察到更高的臨界溫度（例如）。時間c ≈ 244 K) 和 LaH10 (時間c 約 250 K）。
目前的理論模型表明，在各種以氫為主的系統中，當受到極端壓力時，高於室溫的超導性可能是可能的。
庫珀對和超導能隙的意義
在普通金屬中，費米能級附近的電子可以自由移動。費米能級代表電子在固體中可以佔據的絕對為零的最高能級。當材料成為超導體時，電子形成稱為庫珀對的成對狀態，並進入集體量子態。
在這種狀態下，成對電子在晶格中一起移動，而不會被聲子或雜質散射，從而消除了電阻。這種配對在費米能級附近產生了一個能隙，稱為超導能隙。該間隙代表打破庫珀對所需的最小能量，並通過穩定超導狀態免受擾動來發揮保護作用。
超導能隙是超導性的決定性特徵。它的大小和對稱性為電子如何相互作用和配對提供了重要的見解，使它們成為潛在超導機制的關鍵指紋。
