韩国团队室温超导开启人类新纪元?3小时内提交两篇论文,样品被
美国罗切斯特大学Ranga Dias团队的室温超导研究疑云尚未消散,韩国量子能源研究中心、高丽大学等团队的研究人员再次投下一记“尚未经同行评议”的重磅。研究团队宣布成功合成了世界上第一个室温常压超导体,即在常压条件下,一种改性的铅-磷灰石能够在127℃以下表现为超导体。
鉴于室温超导研究的挑战性和重要性,此类“重磅”每次都掀起广泛关注和讨论。研究团队自己对该研究评价称,“我们相信,我们的新进展将是开启人类新纪元的全新历史事件”。然而,正如此前Dias团队的研究,此次韩国团队的研究也将经受“时间的考验”。
让事件更为扑朔迷离的是,上述新研究实际上关联到两篇论文。从时间线分提交,两篇提交时间相差不足2.5小时的论文均发表在预印本系统arXiv,尚未经同行评议。
两篇
100多年前,荷兰物理学家昂内斯为人类打开了超导这扇大门。1911年,昂内斯在研究中发现,当温度降到4.2K以下时,金属汞的电阻突然降为零,而这并不是任何实验上的纰漏导致的。
自此,汞成为了科学家发现的第一个超导体,其超导Tc为4.2K。所谓的超导Tc即超导转变温度,也就是超导体由正常态进入超导态的温度。
总体而言,零电阻是超导体的基本特征之一,此外一个重要的基本特征则是迈斯纳效应。继昂内斯上述发现20余年后,迈斯纳在研究测量中发现,材料处于超导态时,其内部磁场为零,展现出完全抗磁性,这也就被称为迈斯纳效应。
超导现象的发现被认为是20世纪最伟大的发明之一。然而,发展至今,超导体的实际应用基本局限于磁悬浮等少数特定场景下。此次韩国研究团队也提到,自昂内斯发现超导性以来,科学家们一直在寻找室温超导体。
科学家们在这条改进突破的路上已有过一些重大成果。上世纪80年代,铜基超导体的发现将超导Tc带到了超过40K;进入21世纪之后,日本、中国等科学家在铁基超导体上实现了超导Tc的进一步提升。
韩国团队同样在论文中援引了Dias团队目前尚处于争议中的研究,他们提出的由氢、氮、镥三种元素组成超导体,在大约10kbar下可实现约294K的室温超导电性。
国际高温超导研究领域的先驱者、著名物理学家朱经武今年3月在接受媒体时曾表示,过去,我们以为达到液氮温度77K以上就可以应用了,但是在制备材料时,发现有困难,成本太贵了。后来,克服了温度,把温度达到室温后,发现要加很高的压力,这又产生了问题。
可以说,过去的100多年时间里,超导领域始终处于不断探索的途中。一条道路指向超导Tc,使其无限接近便于实际应用的室温;另一条道路则在于持续深入地挖掘超导背后的机理。
和3个多月前Dias团队的成果相比,韩国团队的超导体让人“更难以置信”。不仅解决了温度问题,他们的LK-99甚至不需要“高压助手”。而127℃的Tc,不仅仅是数字上比以往研究进一步大幅提高,更重要的是意味着其可应用的温度区间大大拓宽。
LK-99如何获得?上述更为详细的第二篇论文显示,研究团队使用固相法合成了LK-99,合成原料为氧化铅、硫酸铅、铜和铅。
目前业内普遍认为,LK-99的制备过程似乎相当简单。样品合成过程具体包括三个步骤:第一步,将氧化铅和硫酸铅粉末在陶瓷坩埚中以各50%的比例均匀混合,混合粉末在725℃的炉中加热24小时发生化学反应。第二步,将铜和铅粉末按比例在坩埚中混合,合成磷化亚铜,让混合后的粉末处于相应的真空封管状态下,然后置于炉内550℃加热48小时。在此过程中,混合材料发生相变,形成磷化亚铜晶体。第三步,将上述两步所得物质磨成粉末,并在坩埚中混合,再将混合粉末线小时。
研究团队称,在此过程中,混合粉末反应转化为最终材料,一种灰黑色的铜掺杂的铅-磷灰石,这种多晶材料也就是他们命名的LK-99。
他们总结称,LK-99的超导性已经通过超导临界温度Tc、零电阻率、临界电流、临界磁场和迈斯纳效应得到了证明。
研究团队提出,LK-99结构与铅-磷灰石非常相似,但由于晶格中出现了铅被铜取代的现象,相关晶胞参数显示LK-99与原始铅-磷灰石相比有轻微的收缩,缩小率为0.48%。铜离子取代引起的应力传递到圆柱体列的铅,导致界面发生扭曲,从而形成超导量子阱。
研究团队认为,正是这种结构的影响,导致了这种新材料非凡的超导性,而非温度和压力等外部因素。第一篇论文的
值得一提的是,研究团队还专门上传了一段,以证明LK-99在磁铁上悬浮的情况,这也就是迈斯纳效应。不过,这块扁平的、像硬币一样的材料的悬浮情况并不是十分完美,仍有一边似乎接触磁铁。就该情况,Hyun-Tak Kim称,这表示样品并不完美,只有一部分成为超导体并表现出迈斯纳效应。
另外值得关注的是,这次的“子弹”或许不用飞太久。按照目前领域内的说法,鉴于上述新材料制备简单,或许已有大批重复工作已在路上。