1911 年,荷兰莱顿大学的卡末林 - 昂内斯意外地发现,将汞冷却到 - 268.98℃(4.2K)时,汞的电阻突然消失,他将这种状态称之为超导态,并因此获得 1913 年诺贝尔奖。后来人们发现许多金属和合金都具有类似的在低温下失去电阻的特性。超导体不仅具有零电阻效应,还能展现出完全抗磁性的迈斯纳效应,即超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象。
长期以来,科学家们一直致力于寻找能够在室温下实现超导的材料,因为如果超导材料能够在环境温度和压力条件下存在,其表现出的零电阻现象将具有巨大的应用潜力。在过去,虽然有诸多研究,但一直未能实现这一目标。此前,在环境压力下,铜盐是在最高临界超导转变温度(Tc)下表现出超导性的材料,高达约 133K。而在过去十年中,以氢为主的合金的高压 “化学预压缩” 引领了对高温超导性的研究,证明 Tc 在兆巴压力下接近二元氢化物中水的冰点,三元富氢化合物也被认为有改善超导氢化物性能的潜力。
近日,来自美国罗切斯特大学的 Ranga P. Dias 等研究者带来了令人振奋的消息,他们报道了氮掺杂的氢化镥的超导性证据,在 10K kbar 时最大 Tc 为 294K(21℃),这意味着实现了室温和接近环境压力下的超导性。相关论文以题为 “Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride” 于 03 月 08 日发表在最新一期《Nature》上。
该化合物是在高压高温条件下合成的,之后研究人员沿着压缩路径对其材料和超导性能进行了检测,检测内容包括有或无外加磁场的温度相关电阻、磁化(M)与磁场(H)曲线、交流和直流磁化率以及热容测量等。同时,通过 X 射线衍射(XRD)、能量色散 X 射线(EDX)和理论模拟,对合成材料的化学计量有了一定的了解,但还需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的精确化学计量以及它们各自的原子位置,以更深入地了解材料的超导状态。
值得一提的是,2020 年 10 月,Ranga P. Dias 教授团队也曾报道过光化学转变的碳质硫氢化物体系中的超导性,压力为 267GPa 时,最高超导转变温度为 287.7K(约 15 摄氏度),但由于其他研究学者无法重复其实验,这篇发表在《Nature》上的论文在 2022 年 9 月被撤稿。
室温超导材料一直是科学界百年来不断追求的目标,它就像一座难以攀登的珠穆朗玛峰,其潜在应用价值极大。此次氮掺杂的氢化镥在室温和接近环境压力下实现超导性的发现,无疑为超导研究领域注入了新的活力与希望,相信在科学家们的不懈努力下,超导研究将取得更多更大的进步,未来或能为能源、电子、交通等众多领域带来革命性的变革。