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压力山大更超导

有压力才会有动力,有动力才干坚持前进。压力,是一种奇特的力气。科学家们以为,地球生命的来源,就极有或许来自大洋深处的高压热泉。地球的内部,翻滚着高温高压的熔岩,构成的地磁场让生命免遭高能宇宙射线的损害…

有压力才会有动力,有动力才干坚持前进。

压力,是一种奇特的力气。科学家们以为,地球生命的来源,就极有或许来自大洋深处的高压热泉。地球的内部,翻滚着高温高压的熔岩,构成的地磁场让生命免遭高能宇宙射线的损害。在资料科学中,压力是一种高效组成资料和调控其物性的重要手法。压力可以让资料产生许多奇特的改变,比方黑乎乎的一块石墨,在高温高压下,就有或许变成闪闪耀眼的金刚石。所以,钟情钻石的朋友们该觉悟到,它和石墨同样是碳原子组成的,一点也不稀罕。现在,这种人工技能组成的钻石,足以到达11 克拉以上,看上去和天然钻石不同并不大,和石墨的差异也只是在于“压力山大”罢了 (图1)。

图1 “压力山大”的石墨老爸成了金刚石

在超导资料研讨中,高压是十分重要的办法。在高压下,原资料之间相互触摸严密,化学反响速度要远远大于常压状况,极大地提高了资料制备的功率。常用的高压组成办法有许多,比方多面顶高温高压组成和高压反响釜组成等。前者比较复杂,外层是个球壳,传压介质包裹着里边的八面球压砧,然后顶上六面顶压砧,再压上一个四面体的传压介质,最里边才是样品资料 (图2)。如此规划的层层压力传递,终究就能在比较狭小的空间里完成几十万个大气压 (~20 GPa)。高压反响釜则比较合适液相组成,将质料放在液体中并将其高压密封,温度升高后压力会更高,有利于某些样品的成长 (图2)。凭借高温高压,能完成不少常压下得不到的资料。关于某些特别资料,如一些笼状化合物,在常压下难以安稳存在或组成。包裹着甲烷等的笼状水合物,又称之为“可燃冰”,便是海洋深处高压下构成的。一

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图2 高压组成设备举例丨来自英文维基百科

图4 高压组成的新式铜氧化物超导体丨来自arxiv.org

和高温高压组成的“先天性”高压比较,“后天性”的高压也可以调控超导资料的特征,尤其是临界温度。后期加高压的办法有许多,有相似高温高压的多面临顶压砧 (~30 GPa),也有活塞圆筒结构的高压包 (~2 GPa),还有瞬间爆破开释的超高压力 (~1000 GPa) 等。最常用的便是金刚石“对顶压砧”:用将两块顶级磨平的金刚石顶对顶压样品,最高静态压力可以到达数百万个大气压 (~400 GPa)。有意思的是,金刚石对顶压砧靠的便是它的最强硬度,大部分用的是高温高压组成的人工金刚石,由于纯度要高且价格不太贵。使用金刚石的透光特性,可引进电磁辐射 (如X 射线等) 来标定资料遭到的实践压力,或丈量资料的光谱特性 (图5)。至于电学或磁学丈量,则需求独自引出丈量引线或外加线圈,难度也是十分大的。

图5 根据金刚石对顶压砧的高压丈量丨来自英文维基百科

关于大部分铜氧化物高温超导体而言,高压往往有利于提高Tc,比方使用高压,Hg-1223系统的临界温度可进一步提高到164 K,是当之无愧的高温超导体。所以,在比赛超导临界温度记载的征途上,高压下的物性丈量,成为“如虎添翼”的好办法。关于不超导的资料,压一压,或许超导了。关于现已超导的资料,压一压,或许临界温度提高了。关于高温超导体,再压一压,或许临界温度就打破纪录了。有些科学家乃至深信:“不管任何资料,只需压力满足到位,它就会超导!”科学家们拿着压力这个东西,简直扫遍了元素周期表,发现许多在常压下并不超导的非金属元素,在高压下是可以超导的。而关于金属元素,高压下则有或许进一步提高Tc,其间最高的是Ca 单质,在216 GPa下Tc=29 K (图6)。

图6 高压下的单质超导体丨来自www.spring8.or.jp

为什么高压对超导电性可以取得如此惊人的作用?原因有许多。大体以为有三点:减小资料体积一起增大了电子浓度、使资料产生了结构相变促进了新超导相的构成、极大增强了有利于超导的某种相互作用。在高压下,气体可以紧缩成液体,液体进一步紧缩成固体,固体再被紧缩,就或许转化为金属。理论上以为,世界上最轻的元素——氢,在满足高的压力下,就会变成金属氢。并且,由于氢原子核本质上就一个质子,一旦构成金属氢,原子热振荡的能量是十分巨大的,足以让电子—声子耦合下构成高临界温度的超导体,乃至是室温超导体。金属氢,是超导研讨者们的愿望之一。完成金属氢,并不是一件简略的作业。单纯要把气态且极易爆破的氢气装进金刚石对顶砧里边而不跑掉,便是一个技能应战。实践操作是在低温下装入液态的氢,然后再施加压力。液氢沸点在20 K左右,操作起来很有难度。完成金属氢的压力也是十分巨大的,理论家开始预言需求100GPa,也便是一百万个大气压,后来以为是400 GPa以上。但试验物理学家这一试,就80 多年过去了。2016 年,英国爱丁堡大学E. Gregoryanz等人在325 GPa 取得了氢的一种“新固态”,以为或许是金属氢。2017 年,美国哈佛大学的R. Dias和I. F. Silvera 两人宣告金属氢完成,在205 GPa 下的通明氢分子固体, 到415 GPa变为黑色不通明的半导体氢,终究到495 GPa成为金属性反光的金属氢 (图7)。不幸的是,当他们预备丈量金属氢是否具有室温超导电性的时分,一个不小心的操作失误,压着金属氢的金刚石对顶砧碎掉了,金属氢也就消失得无影无踪。至今,人们仍难以重复试验取得如此高压下的金属氢,而金属氢是否室温超导体,仍然是一个谜!

图7 高压下的金属氢(来自www.latimes.com)

寻觅金属氢室温超导之路充溢应战和崎岖,国际上可以担任这个试验作业的研讨组也屈指可数。科学家转念一想,为啥要死死盯着单质氢呢?我们找氢的化合物,是否也或许完成高压下超导?果果然如此,2014年12月1日, 德国马克斯普朗克化学研讨所的科学家A. P. Drozdov 和M. I.Eremets 宣告在硫化氢中发现190 K超导零电阻现象,压力为150 GPa。这个数值打破了Hg-1223 坚持多年的164 K 记载,却没有引起超导学界的振作——他们早已被一再呈现的USO室温超导乌龙工作闹得疲倦不胜,对破纪录的作业榜首反响便是质疑。乃至在Eremets 等人的屡次学术报告中,会场发问都简直没有,许多人持张望和置疑情绪。历经8 个多月,在不断质疑、查询、重复试验、堆集更多数据的苦楚摧残下,论文终

图8 超高压下硫化氢超导丨来自www.nature.com 及mappingignorance.org

图10 木星内部结构丨来自www.britannica.com

最终,要着重的是,压力山大并不总是对超导有利。有时分高压反而有害,它会限制乃至损坏超导,最严峻的是把资料完全肝脑涂地,再也无法超导。在高压下,由于丈量手法首要会集为电丈量,若构成其他超导杂相或某些少数杂质高压超导,都会影响到丈量定论。磁、热、光等多重测验手法和多个团队重复试验,是十分必要的。任何新的高压超导记载的诞生,主张我们在达观的一起,继续保存慎重的情绪。

——雷锋

撰文 | 罗会仟(中国科学院物理研讨所)

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