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當地時間3月7日，知名室溫超導研究團隊羅切斯特大學Ranga Dias團隊，在美國內華達州拉斯維加斯舉辦的美國物理學會年會上宣布，發現新的近常壓環境下的室溫超導。
本次發現的室溫超導材料為三元镥氮氫體系(ternary lutetium-nitrogen hydrogen system), 10kbar壓強下最高轉變溫度為294K。
就在今天凌晨，Nature正式發表了Dias團隊的最新成果，流言得到證實！
在APS March meeting會議現場，報告廳里擠滿了各路物理大牛。包括高溫超導先驅朱經武教授，以及此前一直在質疑室溫超導的日內瓦大學凝聚態物理學家Dirk van der Marel。
△圖源：周華@aps，左一為朱經武
而在報告廳外，更是擠滿了大批未能入場的物理學研究者，以至于保安需要不斷驅散人群，防止消防隱患。
圖片來源：APS March meeting參會者
超導材料所表現出的無電阻特性，在常溫常壓條件下具有巨大的應用潛力。盡管人們已進行了數十年的密集研究，但這樣的狀態還沒有實現。在環境壓力下，銅酸鹽是表現出超導最高臨界超導轉變溫度(Tc)的材料類別，最高可達133 K。
在過去的十年中，以氫為主的合金的高壓“化學預壓縮”引領了對高溫超導性的研究，已證明在兆巴壓力下，Tc接近二元氫化物中的水的冰點。三元富氫化合物，如碳質硫氫化物，為潛在地改善超導氫化物的性能提供了更大的化學空間。
在此，來自美國羅切斯特大學的Ranga P. Dias等研究者報道了氮摻雜氫化镥在10 kbar的最大Tc為294 K的超導性的證據，即在室溫和近環境壓力下的超導性。相關論文以題為“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”于2023年03月08日發表在Nature上。
長期以來，人們一直預測致密的單質氫是一種非常高溫的超導體，然而所需的極高壓力給確認這些超導相帶來了挑戰。超氫化物材料有望在低得多的壓力下，保持致密單質氫的超導特性。
在150 GPa壓力下預測了CaH6超導轉變溫度(Tc)為220-235-K，以及在155 GPa下203-K Tc H3S的分水嶺式的發現，引發了一場材料發現的熱潮，目前，幾乎所有可能的高壓氫化物體系的二元體系都已建模。
最近對YH6異常高Tc的觀測表明，在較低的氫含量和較低的壓力下，可以實現高溫超導。由于主要的發現都是在大于兆巴的壓力下發現的，因此目標已經轉移到進一步降低所需的壓力，重點是三元氫化物化合物的巨大樣品空間。在金屬氫化物中作為摻雜劑的輕元素，預計有兩個主要的有益影響。
首先，從Li-Mg-H體系的臨界溫度接近500 K(盡管仍處于兆巴狀態)以及虛擬晶體近似模擬和最近的實驗證據表明摻雜LaH10框架后轉變溫度至少增加了25 K等例子中可以看到Tc的預測增加。
第二，第三種元素的加入可以大大增強富氫晶格的穩定性，從而降低其穩定的壓力范圍。LaBH8預計將穩定到20-40 GPa，同時保持其高溫超導性，金屬-硼-碳包合物預計將在環境壓力下保持其超導性。通過引入第三種元素來增加Tc的穩定性，為在亞兆巴壓力下將氫化物超導體推到更高的Tc值提供了可能性。
由于三元稀土氫化物中有大量的相空間未被模擬開發，目前需要合理的化學設計來確定下一個候選材料。對La和Y二元超氫化物進行了預測和測量，采用類似的高壓化學計量和相，在等效壓力下顯示出更高的Tc。Y3+陽離子的較小尺寸，為這種行為提供了一個簡單的化學原理。而離子半徑更小的Sc氫化物，則具有完全不同的結構和更低的Tc。
由于鑭系元素的收縮作用，重于Dy的鑭系元素提供了與Y相當或更小的三價離子半徑，但存在復雜的f電子。盡管鑭系化合物中的4f電子在環境條件下，通常是原子局域化和半價的，但部分占據4f態的固有磁性或在壓力下向費米能級的遷移可能不利于超導性質。
雖然高壓YbHx體系的合成工作產生了與La和Y體系不同的結構，可能是由于d電子轉移到未占據的f態，預測表明，由于在費米能級附近的4f電子的強電子相關性，這兩個最重的鑭系氫化物應該能夠達到Tc≥145 K的兆巴。
人們認為，在次兆巴狀態下達到高Tc的原因有雙重。首先，超過半滿的4f價態抑制了聲子軟化，其次，它們對相對于過渡金屬(Y和La)稀土的電子-聲子耦合有一定的增強作用。結合輕原子摻雜的好處和價態中4f電子的存在，可以提高富氫稀土氫化物在較低壓力下的穩定性，同時有可能增強其超導性能。
在此，研究者給出了在294 K和10 kbar壓力下，三元镥-氮-氫化合物的超導性的實驗證據，其中完整的4f殼層的結合以及氮的電子捐贈和化學壓力，驅動了氮摻雜氫化镥的Tc和壓力穩定性進入近環境狀態。
測量的超導性能是在零溫度下，基于Ginzburg-Landau (GL)模型以及在上臨界磁場為88特斯拉的外部磁場下，觀測到零電阻、交流磁化率和直流磁化率以及場冷，磁化強度M-H曲線、熱容、電壓-電流(V-I)曲線以及Tc的降低。
研究表明，該化合物在高壓高溫條件下合成，然后在完全回收后，沿壓縮路徑檢測其材料和超導性能。這些包括有和沒有施加磁場的溫度依賴性電阻，磁化(M)與磁場(H)曲線，交流和直流磁化率，以及熱容測量。
通過元素分析、EDX測量、XRD、拉曼光譜和密度泛函理論(DFT)模擬對其組成和結構進行了研究。然而，還需要進一步的實驗和模擬來確定氫和氮的確切化學計量，以及它們各自的原子位置，以更大的努力進一步了解材料的超導狀態。
圖2. 镥-氮-氫體系的溫度依賴性和場依賴性電阻及V-I行為
對此，同期Nature期刊邀請了來自中國科學院物理研究所的靳常青和美國伊利諾伊大學香檳分校的David Ceperley，對這篇文章發表了評述。VIEWs的文章名為“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain”，顯而易見，兩位科學家對此發現是驚喜的，但同時也有疑慮。
疑慮的原因估計是，早在2020年，Dias小組在Nature發表文章，宣稱：三元氫化物（C-S-H）在267GPa的超高壓下，實現了Tc為15°C的超導電性。這項工作一出來，就被譽為是諾獎級的工作。遺憾的是，由于其他物理學家爭相重復其實驗，但沒有一個得到相同結果，因此，這篇Nature在2022年9月被撤稿了。
撤稿半年后，Dias又帶著新的三元氫化物（N-Lu-H）卷土重來，在不那么極端的高壓（1GPa）下，實現了更高的Tc。這一次，壓強更低了，Tc更高了。你說，能不讓同行們對此存有疑惑嗎？接下來，估計要在凝聚態物理領域，掀起新的一波對高溫超導的研究，而這篇Nature會被人們反復提及，反復重復，能否經得住大家的檢驗，讓我們靜靜等待吧。
可想而知的是，一旦其他的實驗組能夠在相同壓力和溫度下，重復其工作，那么基本可以宣告，這篇Nature預定了諾獎，也告示著室溫超導“圣杯”的攻破。而它對工業界帶來的影響，也將是顛覆性的。
Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R.?et al.?Evidence ofnear-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride.?Nature?615, 244–250 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9
原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/11/26a34d522c/
