美国研究人员取得了一项历史性成就，在足够低的温度和压力下创造了一种超导材料，并可用于实际应用。在最新一期《自然》杂志发表的一篇论文中，研究人员描述了这种氮掺杂氢化镥(NDLH)，它在21摄氏度和1万个大气压条件下表现出超导性。
领导此项研究的罗切斯特大学机械工程和物理学助理教授兰加·迪亚斯表示，有了这种材料，环境超导和应用技术的曙光已经到来。
通过显微镜观察到的大约一毫米直径的氢化镥样本，这是罗彻斯特大学科学家兰加·迪亚斯实验室创造的一种超导材料。该合成图像是焦点叠加和色彩增强多幅图像的结果。图源：罗彻斯特大学/J. Adam Fenster
前序研究的争议
一个多世纪以来，科学家们一直在追求凝聚态物理学的这一突破。超导材料有两个关键特性：电阻消失，以及被排出的磁场绕过超导材料。这些材料具有巨大的应用价值，如无损耗输电电网、无摩擦悬浮高速列车、更实惠的医学成像和扫描技术、用于数字逻辑和存储的更高效电子设备，以及使用磁场限制等离子体实现聚变的托卡马克装置等等，最后一项也被认为是未来无限能量的来源之一。
此前，迪亚斯团队在《自然》和《物理评论快报》的论文中报道了两种材料——碳质硫氢化物和超氢化钇，分别在21摄氏度/267GPa和零下11摄氏度/180GPa下具有超导性。
鉴于最新发现的重要性，迪亚斯团队竭尽全力记录他们的研究，并消除上一篇《自然》论文发表后被撤稿招致的批评。《自然》已于2022年撤下此前的论文，《物理评论快报》的论文也受到一些同行质疑。相比于上一篇论文从投出到被接收仅用了不到10天，最新论文的审稿流程更加漫长。迪亚斯教授表示，论文经历了5轮审稿，他们提供了原始数据和样本，最终得以发表。
迪亚斯说，之前的论文已重新提交给《自然》，其中包含验证早期工作的新数据。这些新数据是在阿贡国家实验室和布鲁克海文国家实验室等外部收集的，并有科学家在现场观看超导转变的演示。
它的名称来自《星际迷航》
近年来，通过将稀土金属与氢结合，然后添加氮或碳而产生的氢化物，为研究人员提供了制造超导材料的诱人“工作配方”。除了钇，研究人员还使用了其他稀土金属。然而，所得化合物在仍然无法实际应用的温度或压力下变得超导。
研究团队此次将目光投向了元素周期表的其他地方。迪亚斯说，镥看起来是“一个值得尝试的好候选物”。它在其f轨道配置中具有高度局部化的完全填充的14个电子，可抑制声子软化并增强在环境温度下发生超导性所需的电子—声子耦合。
迪亚斯表示，与碳一样，氮具有刚性原子结构，可用于在材料内形成更稳定的笼状晶格，并使低频光学声子变硬。这种结构为在较低压力下发生超导性提供了稳定性。
团队创造了一种由99%的氢气和1%的氮气组成的气体混合物，将其放入装有纯镥样本的反应室中，并让这些成分在200摄氏度下反应两到三天。
论文称，由此产生的镥—氮—氢化合物最初是一种“有光泽的蓝色”。然后，当化合物在金刚石砧座中被压缩时，发生了“惊人的视觉转变”：在超导性开始时从蓝色变为粉红色，然后变为亮红色的非超导金属态。
研究人员幽默地为这种状态的材料取名为“Reddmatter”，即电影《星际迷航》中创建的材料名。
我们正处于现代超导时代
诱导超导性所需的压力，比之前在迪亚斯实验室中产生的低压低近两个数量级。迪亚斯表示，“通向超导消费电子产品、能量传输线、运输和显著改进聚变磁约束的途径，现在已成为现实。我们现在正处于现代超导时代。”他预测，掺氮的氢化镥将大大加快托卡马克机器的研发进程以实现聚变。托卡马克装置不是使用强大的会聚激光束来内爆燃料颗粒，而是依靠环形外壳发出的强磁场来捕获、保持和点燃过热等离子体。
迪亚斯还表示，氮掺杂氢化镥在室温下会产生“巨大的磁场”，而这“将成为新兴技术的游戏规则改变者”。更令人兴奋的是，有可能利用超导实验积累的数据训练机器学习算法，以预测其他可能的超导材料。
(责任编辑：韩梦晨)
