罗彻斯特大学实验室创造出可行的超导材料

罗切斯特大学的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，可用于实际应用。

“有了这种材料，环境超导和应用技术的曙光已经到来，”机械工程和物理学助理教授Ranga Dias领导的团队表示。在《自然》杂志的一篇论文中，研究人员描述了一种氮掺杂氢化镥 (NDLH)，它在 69 华氏度和 10 千巴(145,000 磅/平方英寸，或 psi)压力下表现出超导性。

尽管 145,000 psi 似乎仍然非常高(海平面压力约为 15 psi)，但通常用于芯片制造的应变工程技术，例如，将材料结合在一起，内部化学压力甚至更高。

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。这些材料可以使：

输电电网不会损失现在由于电线电阻而产生的高达 2 亿兆瓦时 (MWh) 的能量

无摩擦悬浮高速列车

更实惠的医学成像和扫描技术，例如 MRI 和心磁图

用于数字逻辑和存储设备技术的更快、更高效的电子设备

使用磁场限制等离子体实现聚变的托卡马克机器作为无限能量的来源

此前，Dias 团队在Nature和Physical Review Letters 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 58 华氏度/3900 万 psi 和 12 华氏度/2600 万 psi 下具有超导性。

鉴于这一新发现的重要性，迪亚斯和他的团队竭尽全力记录他们的研究，并阻止了在上一篇《自然》杂志发表论文后产生的批评，该论文导致该杂志的编辑撤稿。Dias 说，之前的论文已重新提交给Nature，其中包含验证早期工作的新数据。新数据是在实验室外收集的，在阿贡国家实验室和布鲁克海文国家实验室，在现场观看超导转变的科学家观众面前。新论文也采用了类似的方法。

Dias 实验室的五名研究生——Nathan Dasenbrock-Gammon、Elliot Snider、Raymond McBride、Hiranya Pasan 和 Dylan Durkee——被列为共同主要作者。“小组中的每个人都参与了实验，”迪亚斯说。“这确实是一项集体努力。”

超导及其他领域的“令人吃惊的视觉转变”

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”。用技术术语来说，稀土金属氢化物形成笼形笼状结构，其中稀土金属离子充当载流子供体，提供足够的电子来增强 H2 分子的离解。氮和碳有助于稳定材料。底线：超导性发生所需的压力更小。

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。

所以，这一次，迪亚士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。“关键问题是，我们如何稳定它以降低所需的压力?这就是氮气发挥作用的地方。”

Dias 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。

Dias 的团队创造了一种由 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 392 华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。

“这是一种非常鲜亮的红色，”迪亚斯说。“看到这种强度的颜色，我感到很震惊。我们幽默地为这种状态的材料建议了一个代号——“reddmatter”——以 Spock 在 2009 年流行的星际迷航电影中创建的材料命名。代号卡住了。

诱导超导性所需的 145,000 psi 压力比之前在 Dias 实验室中产生的低压低近两个数量级。

用于预测新型超导材料的机器学习算法

在Dias 的国家科学基金会职业奖的资助和能源部的资助下，他的实验室现在已经回答了超导材料是否可以在足够低的环境温度和压力下存在以供实际应用的问题。

“通向超导消费电子产品、能量传输线、运输和显着改进聚变磁约束的途径现在已成为现实，”Dias 说。“我们相信我们现在正处于现代超导时代。”

例如，迪亚士预测，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。迪亚斯说，NDLH 在室温下会产生“巨大的磁场”，“将成为新兴技术的游戏规则改变者”。

根据 Dias 的说法，特别令人兴奋的是，有可能利用他实验室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——实际上，混合和匹配稀土金属、氮等数千种可能的组合、氢和碳。

“在日常生活中，我们有许多不同的金属用于不同的应用，因此我们也需要不同种类的超导材料，”Dias 说。“就像我们为不同的应用使用不同的金属一样，我们需要更多的环境超导体来满足不同的应用。”

合著者 Keith Lawlor 已经开始使用罗彻斯特大学综合研究计算中心提供的超级计算资源开发算法并进行计算。

纽约州北部的超导材料中心?

Dias 的研究小组最近搬进了位于河校区 Hopeman Hall 三楼的一个新的扩建实验室。他说，这是在罗切斯特大学启动超导创新学位授予中心 (CSI) 的雄心勃勃计划的第一步。

该中心将创建一个生态系统，以吸引更多的教职员工和科学家到大学来推进超导科学的发展。受过培训的学生将扩大该领域的研究人员队伍。

“我们的希望是让纽约州北部成为超导技术的中心，”迪亚斯说。