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氢化镧:实现高温超导的突破口,有望降低磁悬浮列车等的成本
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2022.09.23 上海

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本文1627字,阅读约需4分钟

摘   要:具有超导特性、电阻为零的氢化物新型材料正引起人们的关注,其中氢化镧的发现可能会成为实现室温超导的突破口,有望使得超导在产业上的利用得到迅猛发展。

关键字:氢化镧、高温超导、氢化物新型材料、大型同步辐射装置SPring-8、稀土金属族氢化物、理论预测

具有超导特性、电阻为零的氢化物新型材料正引起人们的关注。其中之一便是氢化镧,氢化镧的超导温度(转变温度),比传统已知的材料高大约100K,绝对温度为260K(-13℃)。虽然实现超导仍然需要相当于地心的超高压,但它可能会成为实现室温超导的突破口,从而使得超导在产业上的利用得到迅猛发展。

氢化物是氢与其他元素结合而成的物质的总称,氢化物应用于超导方面的研究始于2014年底。当时使用新型氢化硫,在203K的“高温”下实现了超导,比尘封了20年的最高超导转变温度记录提高了约40度,令全世界的研究人员感到惊讶。

使用大型同步辐射装置“SPring-8”进行氢化物超导实验的场景(图片均来自网络)

稀土金属族氢化物比该氢化硫具有更高的转变温度,去年发现的氢化镧便是首例。使用氢化钇有望进一步提高超导转变温度,全球的实验研究小组都在挑战这一研究。

稀土金属氢化物中,一个稀土金属原子一般最多可结合三个氢原子,可作为储氢合金存储用于燃料电池的氢气,因而备受瞩目。另一方面,超导研究中使用的稀土金属氢化物中, 1个稀土金属原子上结合多达10个氢原子,具有结晶结构,看起来就像是将1个稀土金属原子放入由氢原子编成的笼子中,而且其主要特征是,只有在相当于地心的约150万个大气压的超高压下才能稳定存在,换言之,它无法在常压下存在,因而难以应用于产业。

但是,没有其他物质能够达到如此高的超导转变温度。东京大学的有田良太郎教授称:“通过详细研究氢化物的超导性,可以获得实现具有实用性的室温超导的线索。”

如果室温超导技术得以实现,将不再需要高成本且体积大的冷却装置,这将为零损耗的超远距离输送电以及电力存储开辟道路。由于磁力强且小型的超导磁体能够低成本稳定供应,将彻底改变磁悬浮列车等运输系统。

与众多研究人员关注的氧化物超导不同,对氢化物超导的研究中,理论先于实验。

氧化物基超导材料于1980年代中期被发现,其转变温度远高于以往已知的金属基超导材料,由此引发了全世界的研究热潮,然而其实现超导机制仍是未知的。通过反复试验不断摸索,转变温度不断升高,并于1993年达到峰值,绝对温度为164K。

与之相比,氢化物超导可通过已知的金属基超导机制的BCS理论很好地解释。氢化硫和氢化镧的发现正是基于相同理论的预测。

预测方法也在不断改进。目前,正在使用模仿生命进化机制的“遗传算法”,以及从鸟群寻找食物的行为中发现“粒子群优化算法”等方法,来探索潜在的超导材料。去年,中国的一个研究小组发表的论文,预测473K(200℃)的超高温下存在超导氢化物,成为热门话题。

关于氢化物超导性与压力之间的关系,今年取得了重要理论发现。为何氢化镧能在约137万个大气压下稳定存在仍是一个未解之谜,这比最初的预期低了近100万个大气压。有田教授等人通过理论研究,认为该物质处于一种被称为“量子固体”的特殊状态,从而解决了这一问题。量子固体被认为是研究氢化物超导性的关键词之一。

氢化镧的晶体结构。在一个由氢原子编织的笼状结构(浅蓝色球体)中包含一个镧原子(大绿色球体)

另一方面,氢化物的超导实验比氧化物基超导要困难得多。氧化物超导可以通过在研钵中混合材料并烘烤得以实现,而氢化物超导则需要一种称为金刚石压砧的特殊装置,该装置可实现超高压。将两颗磨砂钵型的钻石相对放置,将原材料置于它们之间,并用强力压紧钻石从而实现超高压。在这种状态下,使用激光照射加热材料,并且通过X射线照射观察材料的晶体结构,需要高度的技术能力。

因此,世界上很少有研究小组能够进行氢化物超导实验。在日本,大阪大学的清水克哉教授等人与一个德国小组合作,共同揭示了氢化硫的晶体结构,引发关注。作为其对手,美国和德国的实验研究小组发现了氢化镧。

理论预测是寻找具有高转变温度的材料过程中的指导方针,但同时清水教授也表示:“我不知道应在何种温度和压力条件下制备该物质,必须通过反复试验才能找到。”由于金刚石压砧也用于探索地心的研究,因此希望与此类实验小组加强合作,发现新型高温超导材料。


翻译:金滢洁

审校:李涵、贾陆叶

统稿:李淑珊

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