休斯頓大學 (TcSUH) 德州超導中心創始主任兼首席科學家 Paul Chu、TcSUH 物理學研究助理教授 Liangzi Deng 和他們的TcSUH 的同事構思并開發了一種壓力淬火 (PQ) 技術,即使在去除產生該相的施加壓力之后,該技術仍能保留壓力增強和/或誘導的高轉變溫度 (Tc) 相。


萊斯大學物理與天文學教授戴鵬程及其團隊和吉林大學物理學院院長馬彥明團隊為成功證明壓力淬火技術在模型高溫超導體中的可能性做出了貢獻, 硒化鐵 (FeSe)。結果發表在美國國家科學院院刊上。

新的壓力淬火技術的發展證明了無壓力硒化鐵晶體的超導性

Paul Chu(右)是休斯頓大學(TcSUH)德克薩斯超導中心的創始主任兼首席科學家。鄧良子(左)是 TcSUH 的物理學研究助理教授。


我們從弗朗西斯邦迪于 1955 年用石墨和其他亞穩態化合物形成人造金剛石的過程中衍生出了壓力淬火方法,楚說,當在高溫下承受高壓時,石墨會變成金剛石。隨后的快速壓力淬火或去除壓力,使金剛石相在沒有壓力的情況下保持完整。


Chu 和他的團隊將同樣的概念應用于超導材料,并取得了可喜的成果。


硒化鐵被認為是一種簡單的高溫超導體,其轉變溫度 (Tc) 可在環境壓力下轉變為 9 開爾文 (K) 的超導狀態,Chu 說。


當我們施加壓力時,Tc 增加到 ~ 40 K,是環境溫度的四倍多,使我們能夠明確地區分超導 PQ 相與原始非 PQ 相。然后我們嘗試保留高壓增強超導相使用 PQ 方法去除壓力后,事實證明我們可以。


Chu 博士及其同事的成就使科學家離實現常壓下室溫超導的夢想又近了一步,最近報道了僅在極高壓力下才有氫化物。

新的壓力淬火技術的發展證明了無壓力硒化鐵晶體的超導性

超導性是 Heike Kamerlingh Onnes 于 1911 年發現的一種現象,通過將汞冷卻到 4.2 K 的過渡 Tc 以下,可借助液氦實現,液氦是罕見且昂貴的。這種現象是深刻的,因為當電流通過超導線時,超導體能夠表現出零電阻,并驅逐磁鐵產生的磁場。隨后,其在能源和交通領域的巨大潛力立即得到認可。


要運行超導設備,需要將其冷卻至低于其 Tc,這需要能量。Tc 越高,所需的能量越少。因此,以室溫300 K為最終目標提高Tc,自超導發現以來一直是科學家們進行超導研究的推動力。


與當時盛行的 Tc 不能超過 30 年代 K 的觀點不同,Paul Chu 及其同事于 1987 年在 93 K 的新化合物家族中發現了超導性,只需使用廉價、具有成本效益的工業冷卻劑即可實現的液氮。Chu 等人 一直將 Tc 提高到 164 K。和其他隨后的科學家小組。最近,Dias 等人實現了 287 K 的 Tc。羅切斯特大學在 267 吉帕斯卡 (GPa) 下的碳-氫-硫化物。


總之,將 Tc 提升到室溫確實是觸手可及的。但是對于氫化物未來的科學和技術發展,在環境壓力下表征材料和制造設備是必要的。


我們的方法使我們能夠在沒有壓力的情況下使材料具有更高的 Tc 超導。它甚至允許我們將僅存在于 8 GPa 以上的 FeSe 中的非超導相保持在環境中。沒有理由不能將該技術同樣適用于顯示出超導跡象的氫化物,其 Tc 接近室溫。


這一成就使學術界更接近無壓力的室溫超導 (RTS),這意味著從醫療領域到電力傳輸和存儲到運輸,超導體無處不在的實際應用,只要用電就會產生影響。


超導作為改善發電、存儲和傳輸的手段并不是一個新想法,但在室溫超導成為現實之前,它需要進一步的研究和開發才能普及。零電阻的能力意味著可以無損耗地產生、傳輸和存儲能量——這是一個巨大的低成本優勢。然而,目前的技術要求將超導器件保持在極低的溫度下以保持其獨特的狀態,這仍然需要額外的能量作為間接成本,更不用說冷卻系統意外故障的潛在危險。因此,沒有額外壓力來維持其有益特性的 RTS 超導體是推進更實際應用的必要條件。


超導的特性也為與整個東亞地區著名的子彈頭列車的競爭者鋪平了道路:磁懸浮列車?!按艖腋 钡暮喎Q,2004年在上海建成的第一列磁懸浮列車,在日本和韓國成功推廣使用,并正在考慮在美國投入商業運營。以每小時 375 英里的最高速度,越野飛行在磁懸浮列車中看到了一個快速的競爭對手。室溫超導體可以幫助埃隆馬斯克實現他的“超級高鐵”夢想,以每小時 1000 英里的速度行駛。


Chu 和 Deng 的論文中討論的 PQ 技術在室溫超導體上的成功實施對于使超導體成為無處不在的實際應用可能至關重要。


現在,環境壓力下的 RTS 之謎更接近解決了。


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