“圣杯”追求了一个多世纪：研究人员合成室温超导材料

机械工程，物理学和天文学的助理教授Ranga Dias领导的新研究的目标是在室温下开发超导材料。如Dias实验室的这张照片所示，目前，要实现超导性，就需要极冷，其中磁体漂浮在用液氮冷却的超导体上方。

罗彻斯特大学的工程师和物理学家首次在极高的压力下用氢气压缩简单的分子固体，首次创造出在室温下超导的材料。

这项工作是《自然》杂志的封面故事，由物理学和机械工程学助理教授兰加·迪亚斯（Ranga Dias）的实验室进行。

迪亚斯说，开发超导材料（在室温下没有电阻和磁场的驱散）是凝聚态物理的“圣杯”。经过长达一个多世纪的探索，这种材料“绝对可以改变我们所知道的世界，”迪亚斯说。

为了创造新的记录，迪亚斯和他的研究团队将氢与碳和硫结合起来，以光化学方式在金刚石砧座中合成了简单的有机衍生的碳质氢化硫，这是一种用于在极高的压力下检查微量材料的研究装置。

碳氢化硫在约58华氏度和约3900万磅/平方英寸的压力下表现出超导性。这是首次在室温下观察到超导材料。

“由于低温的限制，具有如此卓越性能的材料并未像许多人想象的那样完全改变了世界。但是，我们的发现将打破这些障碍，并为许多潜在的应用打开大门。”迪亚斯说，他也隶属于大学的材料科学和高能量密度物理计划。

应用包括：

传输电力的电网不会因电线的电阻而损失高达2亿兆瓦时（MWh）的能量。一种推动悬浮列车和其他形式运输的新方法医学成像和扫描技术作为MRI和磁心动图的更快，更高效的电子产品，用于数字逻辑和存储设备技术。

内华达州拉斯维加斯大学的阿什坎·萨拉玛特（Ashkan Salamat）说：“我们生活在一个半导体社会中，通过这种技术，您可以使社会进入一个超导社会，在这里您再也不需要电池了。”发现。

金刚石砧座单元产生的超导材料的量以皮升为单位-大约是单个喷墨颗粒的大小。

迪亚斯说，下一个挑战是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法，因此，大批量生产将是经济的。与金刚石砧座中产生的数百万磅的压力相比，地球在海平面的大气压力约为15 PSI。

为什么室温很重要

超导电性于1911年首次发现，它赋予材料两个关键特性。电阻消失。由于称为迈斯纳效应的现象，任何形式的磁场都会被驱除。磁场线必须绕过超导材料，从而使这种材料悬浮起来，这种材料可以用于无摩擦的高速列车，即磁悬浮列车。

强大的超导电磁体已经成为磁力火车，核磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）机器，粒子加速器以及包括早期量子超级计算机在内的其他先进技术的关键组成部分。

但是，设备中使用的超导材料通常只能在极低的温度下工作-低于地球上的任何自然温度。这种限制使它们的维护成本很高，而扩展到其他潜在应用程序的成本也很高。迪亚斯说：“将这些材料保持在低温下的成本是如此之高，以至于无法真正获得它们的全部好处。”

以前，超导材料的最高温度是去年在德国美因茨的马克斯·普朗克化学研究所的Mikhail Eremets实验室和芝加哥的伊利诺伊大学的Russell Hemley研究小组中实现的。该团队报告说，使用超氢化镧在-10至8华氏度下具有超导性。

近年来，研究人员还研究了氧化铜和铁基化学物质作为高温超导体的潜在候选物。但是，氢-宇宙中最丰富的元素-也提供了有希望的构成部分。

“要拥有高温超导体，您需要更牢固的结合和更轻的元素。这是两个非常基本的标准。”迪亚斯说。氢是最轻的物质，氢键是最强的物质之一。

迪亚斯说：“理论上，固体金属氢具有较高的德拜温度和强的电子-声子耦合，这是室温下超导所必需的。”

但是，要使纯氢变成金属态，就需要极高的压力，这首先是由哈佛大学教授艾萨克·西尔维拉（Isaac Silvera）和迪亚斯（Dias）于2017年在实验室中实现的，然后才是西尔维拉实验室的博士后。

“范式转变”

因此，位于罗彻斯特的迪亚斯（Dias）实验室在其方法上追求了“范式转变”，使用了替代氢气的富含氢的材料来模拟纯氢气难以捉摸的超导相，并且可以在更低的压力下将其金属化。

首先，实验室将钇和氢结合在一起。所得的钇超氢化物在当时约12华氏度的创纪录高温和约2600万磅/平方英寸的压力下显示出超导性。

接下来，实验室探索了富含共价氢的有机衍生材料。

这项工作产生了碳质氢化硫。研究人员报告说：“碳的存在在这里至关重要。”他们补充说，这种元素组合的进一步“组成调整”可能是在更高温度下实现超导性的关键。

参考：Elliot Snider，Nathan Dasenbrock-Gammon，Raymond McBride，Mathew Debessai，Hiranya Vindana，Kevin Vencatasamy，Keith V. Lawler，Ashkan Salamat和Ranga P. Dias撰写的“碳质氢化硫中的室温超导”，2020年10月14日，自然.DOI：
10.1038 / s41586-020-2801-z

该论文的其他合著者包括主要作者Eliost Snider '19（MS），Nathan Dasenbrock-Gammon '18（MA），Raymond McBride '20（MS），Kevin Vencatasamy '21和Hiranya Vindana（MS），所有这些都是Dias实验室英特尔公司的Mathew Debessai（博士）和内华达州拉斯维加斯大学的Keith Lawlor（博士）。

该项目得到了美国国家科学基金会，美国能源部的“库存管理学术联盟计划”及其科学办公室，融合能源科学的资助。金刚石表面的制备部分在罗切斯特大学集成纳米系统中心（URnano）进行。

Dias和Salamat成立了一家名为Unearthly Materials的新公司，以寻找通往室温超导体的途径，该超导体可以在环境压力下按比例生产。

专利正在申请中。有兴趣对该技术进行许可的任何人都可以与URVentures的许可经理Curtis Broadbent联系。