自电力首次被利用以来的一个梦想,人类已经非常接近实现这一目标

室温超导体都是由固态化学家提出的亚瑟手法1995年被评为另一个“化学圣杯”。在过去的四分之一个世纪里,这一领域取得了巨大的进步,人们的梦想室温超导似乎触手可及

你能得到一种导电或电子而不损失能量的材料,这让你大吃一惊

José Flores-Livas,罗马萨皮恩扎大学

超导体是没有电阻的材料。它们不同寻常的特性使它们成为量子计算机、粒子加速器和核磁共振磁体的关键部件。但大多数材料只有在非常低的温度下才会表现出超导性,这需要昂贵且耗能的冷却系统。许多科学家认为,在更高温度下利用超导的能力将带来非凡的新应用,也许会改变我们分配电力的方式。

“你能得到一种导电或电子而不损失能量的材料,这让你大吃一惊。对我来说,这简直不可思议。何塞Flores-Livas他在罗马萨皮恩扎大学(Sapienza University of Rome)开发了探索超导材料的计算工具。他指出,虽然室温300K的目标有些武断,但它确实有重要意义。Flores-Livas说:“没有理论说你不能在100K、250K甚至600K处有超导。”“但它更像是一个里程碑,我们人类说‘好吧,如果这些材料能与我们生活的热力学条件兼容,那就有点特别了’——因为这样的话,这些材料将会带来许多技术革命。”

2020

室温超导体领域的合作作者网络比我们研究的其他领域更为复杂。

1995

从1995-1999年网络的复杂性可以看出,它在早期也更加发达。这可能是因为那时铜酸盐超导体已经存在,它们仍然是最容易获得的超导材料家族。

在这个图表中,每个节点都是一个研究人员,这些线将他们与他们最频繁的合作者连接起来。引人注目的是,这张图表显示了名字的广泛分布,其中大多数与铜酸盐超导体的工作有关。这反映了20世纪90年代对铜酸盐的兴趣激增,以及这些材料现在被用于各种应用的事实。在未来的几年里,我们可能会看到与最近的超氢化物工作有关的研究人员,随着他们的论文被引用的次数越来越多,他们会获得更多的关注。有关如何构建这些数据可视化的解释,请阅读数据背后

一个化学问题

在Sleight发表论文的时候,一种被称为铜酸盐的铜基材料在超导界引起了轰动。铜酸盐似乎打破了超导的所有规则,并推动了临界温度(Tc) -超导电性表现的点- - - - - -达到前所未有的温度。第一个铜酸盐是镧钡铜氧化物,于1986年被发现,并打破了纪录Tc35 k。到1995年,这个记录Tc由Hg-Ba-Ca-Cu-O体系保持,在135K处表现出超导性。与传统的超导体不同,铜酸盐的超导性不能用巴丁-库珀-施里弗(BCS)理论来解释,该理论是超导的支配规则,曾获得1972年诺贝尔物理学奖。

“我想说的是,我们大多数对超导感兴趣的人仍然在等待理论家对这些铜酸盐超导机制的解释,”Sleight说。他解释说,虽然传统超导体中超导的基础已被广泛接受,但铜酸盐中的超导机制却极具争议。我还记得高发现后的第一年Tc在铜铜矿中,理论家们都告诉我:“好吧,”他们说,“世界上所有最好的理论家都放弃了他们正在做的事情,他们都在研究这个问题,他们很快就会有答案——在一年之内!”当然,现在已经过去了30多年,人们对是什么让这些材料具有超导性还没有达成共识。”

铜酸盐的非凡之处在于它们能在大气压下实现高温超导——这种特性的组合导致了实际用途,例如目前在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中使用的超导铜酸盐电线。作为多种元素的超导复杂混合物,铜酸盐也有助于将高温超导作为一个化学挑战,而不仅仅是理论物理学家的一个问题。“大多数人认为这是物理学中的一个问题,因为这是一个从简单系统中发现的物理问题——在金属、简单合金等中,可以追溯到很早的时候,”他说罗素Hemley他在美国伊利诺伊大学研究材料的高压行为。“但随着铜酸盐的发现,这些系统的化学复杂性,我认为,提醒人们这个问题是一个更广泛的物理科学问题,化学在其中扮演着非常重要的角色。”

这导致了其他多元素超导系统的发现——特别是在21世纪初,铁基材料达到了接近铜酸盐的临界温度。但下一个大的飞跃要到2015年才会到来,而且它不会来自铜酸盐,也不会来自任何已知的导电元素。

第一个元素

与寻找室温超导体并行的是对创造超导体的探索金属氢.氢的金属相第一次预测在20世纪早期,它只能在极高的压力下存在——相当于地球中心的压力。1968年,金属氢是计算要做一个非常高的人Tc超导体,这促使研究人员开始探索其他富氢化合物。

氢气样品在不同压缩阶段的照片

来源:来自P Loubeyre, F Occelli, P Dumas,自然, 2020,577, 631年。转载须授权

据报道,金属氢在最右边图像中所见的异常压力下存在。氢气样品由蓝色箭头表示,当它变成黑色时发生相变。然而,这一发现在高压领域仍然存在争议

但是高压实验并不容易,也不便宜。高纯度材料必须压缩之间精确切割,单晶金刚石砧细胞。测量细胞内部发生了什么也不简单,尽管微型电极和现代同步加速器光源的发展极大地提高了我们确定发生了什么的能力。

这张图表显示了自1995年以来发表的20篇关于高温超导的最高引用论文。排名第一的是一篇专注于铜酸盐超导体实验分析的综述,引用量为2450次。引用量排名第五的论文(1490次引用)是2008年发现的一种过渡温度为43K的铁超导体的报告,这是当时非铜酸盐材料的记录。尽管五年前才发表,但Aleksander Drozdov和同事的论文首次实验观察到硫氢化物在203K处的超导性,这预示着氢化物的黎明

在2000年代,金刚石砧单元的压力达到200GPa(约2亿大气压)成为可能。今天,压力超过1000GPa已报道使用特殊合成的纳米金刚石。

考虑到成本和复杂性,对每种材料组合进行高通量筛选是不可能的,因此现代计算方法已经成为确定尝试哪些实验的关键。计算技术现在可以准确预测材料的超导相,这在创造高超导相的竞赛中引发了一个新时代Tc超导体。

2014年,中国吉林大学马延明领导的研究小组预测在极端压力下,硫化氢(H2S)会变成非常高温的超导体。在2015年,硫化氢实验由德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的研究人员进行的一项研究表明,在150GPa左右的压力下,硫化氢会转变为超导形式(H3.S),有一个Tc203 k。这在赫姆利的小组中达到了高潮观察Tc的260 k在啦10188GPa,这是目前所有超导体的记录。

引文网络显示了过去25年里研究人员在高温超导体论文中是如何相互引用的。与合著者网络一样,这张图也由与铜酸盐超导体相关的研究人员主导。最大的节点属于日本凝聚态物理学家内田信一(Shin-Ichi Uchida),他自20世纪80年代中期以来一直是铜超导研究的主要参与者。另一位杰出的研究人员是1977年诺贝尔物理学奖得主菲利普·安德森,他的共振价电子键理论试图描述铜酸盐的高温超导性

触手可及

现在二元氢化物已经被广泛研究,研究人员开始研究含有更多元素的更复杂的材料。“这非常令人兴奋,”赫姆利说。“这又是化学中的一个问题——组合化学中的一个问题,因为我们有这么多不同的组合。赫姆利认为,三元氢化物开辟的广阔的新化学空间为现代计算技术的脱颖而出提供了机会。他说:“也许这是深度学习和机器学习方法的一个机会,因为我们需要整理大量数据,以寻找优化属性的趋势。”

现在有人预测,三元氢化物的临界温度可能远远超过室温,进入“热超导”的领域。去年,中国吉林大学的马彦明团队计算在250GPa时,氢氧化镁锂会与a形成超导相Tc473 k。赫姆利说:“这当然令人震惊,但它是在与氢化镧的正确答案相同的理论水平上完成的,所以我们需要认真对待。”“这是一种很难制造的材料,但它可能只是整个三元类的代表。”

Hemly还认为,三元化合物可能提供了一种制造高温超导氢化物的途径,这种氢化物在较低压力下仍保持稳定。

从这张图中可以看出,全球对高温超导现象有着广泛的兴趣。这个时间线似乎反映了人们对铜和铁基超导体的兴趣在20世纪90年代末和21世纪初达到顶峰。关于超氢化物的关键论文都是最近才发表的,还没有收集到足够的引用来进行分析

那么我们很快就能打破室温障碍吗?弗洛雷斯-利瓦斯说,是的,只要我们不关心需要多大的压力。“我敢肯定有人会测得很高Tc——在未来两到三年内,大约280-290K。”

当然,高压是实际应用的障碍——那么,我们有可能找到一种在高温下超导,但在低压下稳定的材料吗?回顾铜酸盐和铁超导体,Flores-Livas充满希望,并指出每10年左右就会有新的发现推动环境系统的临界温度极限。

同时,Sleight说室温超导体可能已经存在。他说:“有可能我们在某个地方发现了室温超导体,但我们不知道它们是不是室温超导体。”“这是因为如果你试图用通常测量它们的性质的方式来测量它们的性质,比如,如果你在某些场下测量它们的磁性,你的磁场可能太高了,这可能会抑制室温下的超导性。”

合著者网络说明:在这个图表中,每个节点都是在过去25年内发表的关于高温超导体的论文中被引用最多的一篇的研究人员。拥有更大节点的研究人员对这些论文的贡献更多,而这些线连接了发表过论文的研究人员之间的网络。引人注目的是,这张图表显示了名字的广泛分布,其中大多数与铜酸盐超导体的工作有关。这反映了20世纪90年代对铜酸盐的兴趣激增,以及这些材料现在被用于各种应用的事实。在未来的几年里,我们可能会看到与最近的超氢化物工作有关的研究人员,随着他们的论文被引用的次数越来越多,他们会获得更多的关注。

引文网络说明:引文网络显示了过去25年在高温超导体方面的顶级论文中被引用的研究人员。与合著者网络一样,这张图也由与铜酸盐超导体相关的研究人员主导。最大的节点属于日本凝聚态物理学家内田信一(Shin-Ichi Uchida),自20世纪80年代中期铜酸盐超导首次被发现以来,他一直是铜酸盐超导研究的主要参与者。另一位杰出的研究人员是1977年诺贝尔物理学奖得主菲利普·安德森,他的共振价电子键理论试图描述铜酸盐的高温超导性。

地图说明:这张地图显示了全球对高温超导的广泛兴趣。这个时间线似乎反映了人们对铜和铁基超导体的兴趣在20世纪90年代末和21世纪初达到顶峰。关于超氢化物的关键论文是最近才发表的,在这一广泛的研究领域还没有进入前500篇论文。

最高被引论文说明:该图表显示了自1995年以来发表的20篇关于高温超导的最高被引论文。排名第一的是一篇专注于铜酸盐超导体实验分析的综述,引用量为2450次。引用次数第四多的论文(1490次引用)是2008年发现的一种过渡温度为43K的铁超导体的报告,这是当时非铜酸盐材料的记录。亚历山大·德罗兹多夫(Aleksander Drozdov)和同事的论文在203K处首次实验观察到硫氢化物的超导性,尽管这篇论文五年前才发表,但却跻身第11位,预示着氢化物的黎明。