21℃室溫超導實現(xiàn)了？有它，你也能測！

時間：2023-3-19閱讀：676

近日火爆全網(wǎng)的室溫超導論文，再次將低溫物理科研推到了大眾的視野里。自昂內(nèi)斯1911年發(fā)現(xiàn)汞金屬的超導電性之后，各種超導材料的研究進入了爆炸式增長，從金屬到合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體、鐵基超導體以及其他氧化物超導體等，超導溫度也在不斷提升。

然而即便是常見的高溫超導材料仍要接近液氮溫度才能夠?qū)崿F(xiàn)，使得超導材料距離人們生活中大規(guī)模應用仍然存有相當?shù)木嚯x。而近日在美國物理學會春季會議，羅徹斯特大學的蘭加·迪亞斯團隊宣布在1GPa壓強下，在镥-氮-氫體系中實現(xiàn)了室溫超導，使整個物理學界沸騰了。這篇工作也刊登于Nature期刊，3月8日在線發(fā)表。

圖1. 蘭加·迪亞斯在美國物理學會春季會議的報告

相比于之前的氫化物超導，此次氮摻雜镥氫化物超導存在兩個驚人的發(fā)現(xiàn)：一是該超導材料的臨界超導溫度達到了21度，二是壓力僅需要1萬個標準大氣壓（1Gpa）。這與之前動輒上百Gpa壓力的高溫超導條件天差地別，具有很高的應用潛力。

如此震驚世界的發(fā)現(xiàn)，作者在進行超導判定時也非常謹慎，分別從電、磁、熱三個維度進行了超導轉(zhuǎn)變實驗驗證。氮摻雜镥氫化物隨著壓力的增加，會發(fā)生兩次明顯的可視相變，起初樣品無超導性，呈現(xiàn)藍色（I相）。隨著壓力增加到3kbar，樣品進入超導相（II相），顏色也轉(zhuǎn)變?yōu)榉奂t色。進一步提升到32kbar以上，樣品再次進入一個無超導金屬相（III相），樣品顏色此時也轉(zhuǎn)變?yōu)轷r艷紅色。

圖2：镥-氮-氫體系超導與可視相變

對不同壓力下的超導相進行電輸運測量，零外場條件下，溫度依賴的電輸運測量表明，隨溫度下降，電阻會存在一個陡然下降至零的行為，超導轉(zhuǎn)變寬度與轉(zhuǎn)變溫度的比值ΔT/ΔT_C在0.005至0.036范疇，可以在GL理論的臟極限范疇解釋。零外場下，V-I特性曲線在超導轉(zhuǎn)變溫度上下明顯不同：超導轉(zhuǎn)變溫度之上，材料具有線性V-I響應，符合歐姆定律；超導轉(zhuǎn)變溫度之下，電壓幾乎不可測量，并具有非線性響應。

圖3. 镥-氮-氫體系溫度依賴的電輸運測量和V-I特性曲線

對于超導轉(zhuǎn)變判定，除零電阻行為外，更為關(guān)鍵的是邁斯納現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。本文磁學測量方面，溫度依賴的磁化強度曲線和M-H曲線基于Quantum Design PPMS系統(tǒng)完成，并搭配了相應的磁測量高壓包選件。在8kbar壓強下，場冷、零場冷條件下磁化強度的測量表明了一個清晰明確的邁斯納現(xiàn)象的存在，確定超導轉(zhuǎn)變?yōu)?77K。寬超導可能源于高壓包不同壓力梯度或者材料的不均勻性。磁測量獲得的超導轉(zhuǎn)變與電阻測量結(jié)果相吻合。除直流磁化率外，交流磁化率也明顯觀測到超導轉(zhuǎn)變帶來的抗磁性。

圖4. 镥-氮-氫體系直流與交流磁化率測量

而熱輸運方面，比熱測量同樣是驗證超導轉(zhuǎn)變的重要途徑，根據(jù)BCS理論，超導轉(zhuǎn)變伴隨有能帶打開能隙，會導致比熱激增。本文采用了新型交流量熱技術(shù)，獲得了不同壓力下，材料比熱隨溫度的演變關(guān)系，可以看出，比熱具有明顯的不連續(xù)特征，由此獲得的超導轉(zhuǎn)變溫度也與電、磁測量相吻合。

圖5. 镥-氮-氫體系的高壓比熱測量

本文通過電、磁、熱三個維度的實驗驗證了镥-氮-氫體系在1GPa下接近室溫的超導電性，但關(guān)于其內(nèi)容見解，各路大神眾說紛紜。此篇文章中，使用了PPMS磁測量高壓腔組件，能夠?qū)崿F(xiàn)1.3GPa壓力下的等靜壓磁學測量。相信在未來的超導探索工作中，PPMS的磁學測量和電學測量高壓腔能夠發(fā)揮更多更重要的貢獻。