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近室溫超導體測試成功 未來將可應用於磁浮列車、輸電、量子電腦科技

2018/12/27 — 18:34

資料圖片:超導體 (Superconductor),Inside Science 片段截圖

資料圖片:超導體 (Superconductor),Inside Science 片段截圖

美德兩國科學家分別在預印期刊 arXiv 報告,指他們成功在相對「高溫」環境實現超導體。

超導體 (Superconductor) 一般只能在極低溫環境,呈超導狀態。超導體電阻會在此狀態下降至零,而且會排除磁場,形成完全反磁現象。超導體這種特性使其可用於磁浮列車、量子電腦、磁力共振儀器,甚至大型輸電之中,不過,由於要達至超導狀態需要極低溫環境,因此超導體受制於此,仍未可廣泛應用於不同範疇。

喬治華盛頓大學物料工程學家 Russell J. Hemley 本年 8 月 23 日於美國化學學會會議及預印期刊 arXiv 指出,其團隊成功以氫 (hydrogen) 及鑭 (lanthanum) 合成物 LaH10 在高壓環境,於攝氏 -13.15– 6.85°C 之間達至超導狀態。德國普朗克研究所 Mikhail Erements 的團隊也在 8 月 21 日於 arXiv 發表報告,指他們成功在低壓環境下約 -58.15°C 以相同元素達至超導狀態。兩項結果相信都可打破 Erements 等人在 2015 創下的 -70°C 紀錄 [1] 。 

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今次研究採用到的 LaH10 ,早於 60 年前已由 BCS 理論 (Bardeen-Cooper-Schrieffer Theory) 提出。該理論指可以透過高壓處理,將氫化物 (hydride) 展現出超導體特性。 BCS 理論提出後約 10 年,另一位物理學家 Neil Ashcroft 也預計,氫原子不僅會在高壓下呈現金屬性,且會變成一種「高溫」超導體。而在 2004 年,Ashcroft 再提出以高氫含量物質加壓處理,有機會可達到超導體現象。在 2016 年, Mikhail Erements 正式確認能以 Ashcroft 提出的方法,將硫化氫加壓,達至超導體效果,並觀察到完全反磁現象。

Hemley 團隊則嘗試尋找其他氫化物能否在可行壓力下,展現出金屬氫的超導體特性。他們在去年刊於《美國國家科學院院刊》的報告中指出,透過密度泛函理論 (Density Functional Theory) 及晶體結構模型,測試釔 (yttrium) 及鑭 (lanthanum) 與氫原子結合時的特性。在眾多種化合物中,計算出 LaH10 在 210 億帕 (GPa) 壓力下,超導轉變溫度約為 0.85–12.85°C 。之後他們再在去年 11 月發表的報告中,測試了將鑭 (lanthanum) 和氫在室溫加壓和利用激光將此合成物加熱。這種由 32 個氫原子圍繞著鑭原子的結構,而原子間的距離亦縮短至金屬氫般,有機會將達至高溫超導體。

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為確認 LaH10 為超導體,Hemley 等研究人員再利用 4 組儀器,將只有 5 微米 (μm) 厚的樣本加壓至 190 GPa ,並發現在 -13.15°C 時,電阻突然下跌至 0.5 微歐姆 (µΩ) ,其餘三個樣本在精準度較低的測試下,亦在最高 6.85°C 及 200 GPa 下,錄得類似的電阻下跌現象。Erements 研究隊伍收到 Hemley 的數據後,也發現在 150 GPa 下,發現氫 (hydrogen) 及鑭 (lanthanum) 樣本的超導轉變溫度約為 -58.15°C 。

雖然兩隊研究人員均錄得電阻急跌現象,但仍未有確認物質有完全抗磁作用。未來需要更多數據確定完全反磁現象存在,才可將其視為超導體。除此以外,由於此方法仍需要以大氣壓力多 200 萬倍的壓力加壓,所以未有實際用途。不過此發現仍有助找出類似物質,在環境壓力下呈現超導狀態。

註:
[1] 紀錄由德國普朗克研究所 Mikhail Erements 的團隊於 2015 年創下。他們使用了硫化氫為超導體物質。 

來源:
Physics Today, Pressurized superconductors approach room-temperature realm, 23 August 2018

報告:

  1. Somayazulu, M., Ahart, M., Mishra, A.K., Geballe, Z.M., Baldini, M., Meng, Y., Struzhkin, Y.V. & Hemley, R.J. (2018). Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures. arXiv, Published Online, DOI: arXiv:1808.07695
  2. Drozdov, A.P., Minkov, V.S., Besedin, S.P., Kong, P.P., Kuzovnikov, M.A., Knyazev, D.A., Eremets, M.I. (2018). Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures. arXiv, Published Online, DOI: arXiv:1808.07039

文/Edward Ho、審核/Alan Chiu

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