【材料科技】超導溫度再創新高

■一群德國物理學家把超導體的臨界溫度再次推上新高點,達到絕對溫度203K(攝氏-70度)。

 (Courtesy: Thomas Hartmann/Johannes Gutenberg University Mainz)
研究團隊用來外加超高壓的工具相當簡單。他們把金屬樣品室用六角螺絲旋緊,這樣可以在樣品室的中間產生相當大的壓力。這時由於只有鑽石能夠承受這麼大的壓力,所以鑽石便被為用來對樣品加壓。(Courtesy: Thomas Hartmann/Johannes Gutenberg University Mainz)

撰文|陳勁豪

超導體最重要的特性便是當溫度降到臨界溫度之下時,超導體的電阻會忽然降為零。這表示電流透過超導體傳輸時不會有任何損失,同時也不會因為電流流經電阻而發熱損失能量。這個特別的性質可以想見有著無窮的應用潛力,例如毫無損失的電力傳輸線,可以更有效的運送電力。超導體也可以用來製造磁力更強的超導磁鐵,可以直接應用在許多領域,例如醫院裡的核磁共振造影,或是粒子加速器中的超導磁鐵。

但是超導體的臨界溫度始終是個關鍵問題。早期的金屬超導體,臨界溫度多在20K以內,雖然容易加工,但是臨界溫度過低是致命傷,一定要用液態氦來冷卻,或是強力的製冷機。到了1987年釔鋇銅氧高溫超導體被發現之後,臨界溫度一次提升到91K,直接超過了液態氮的溫度(77K),表示可以用更便宜的方法來冷卻超導體(液態氦價格約是液態氮價格的一百倍)。但是釔鋇銅氧超導體太硬,很難加工成電線,所以就實用上,還是很有問題。

所以物理學家希望能夠找到超導溫度夠高,又能夠容易加工的超導體。這次這群來自德國Max Planck Institute for Chemistry跟Johannes Gutenberg University Mainz的科學家把眼光放在提昇超導溫度上。物理學家很早就知道把超導體加壓可以提昇超導溫度。另一方面,根據一些理論計算,金屬氫可能在室溫就可以直接變成超導體,只是有一個缺點,金屬氫只在大約300 GPa的超高壓環境中生成,大約是大氣壓力0.1 MPa的三百萬倍。

金屬氫太難搞定,所以退而求其次,他們利用氫含量高的化合物硫化氫(H2S)。硫化氫聞起來就像雞蛋臭掉時的味道,在日常生活中並不罕見。而且硫化氫在高壓的時候可以達到80K的超導溫度。所以他們把硫化氫拿去加到150GPa,也就是大氣壓力的150萬倍,果然看到超導溫度提昇,而且是直接跳到203.5K,直接打破超導溫度紀錄。他們不但觀察到了零電阻現象,同時也看到了超導體的另一個重要特徵,麥斯那效應(Meissner effect),也就是超導體的抗磁性。同時觀測到這兩個效應發生,讓所有物理學家都相信他們的確看到了硫化氫變成超導體。

雖然這個超導溫度需要在超高壓環境下才能達到,但是對物理學家還是有很重要的參考意義。首先這個溫度已經超過了地球上地表某些地方的最低溫度,表示在地表上的某些角落,這個壓力下的硫化氫可以直接變成超導體。而這種超高壓所形成的晶體結構可能可以給物理學家新的啟發,讓他們對超導機制有更進一步的認識。另外這個實驗也表示,這種氫含量高的化合物可能有機會變成超導溫度更高的超導體,所以可以預見,新一波尋找室溫超導體的熱潮又將開始。

原始論文
Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system
Drozdov, A. P., Eremets, M. I., Troyan, I. A., Ksenofontov, V. & Shylin, S. I. Nature
http://dx.doi.org/10.1038/nature14964 (2015)

參考資料
1. Nature News 2015/08/17: Superconductivity record sparks wave of follow-up physics
2. Physicsworld 2015/08/21: Hydrogen sulfide is warmest ever superconductor at 203 K

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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