诸平
低压,高风险:物理学家在室温超导竞赛中取得重大进展 精选
2022-8-10 18:58
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低压,高风险:物理学家在室温超导竞赛中取得重大进展

诸平

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Fig 1 A team of physicists from UNLV's Nevada Extreme Conditions Lab (NEXCL) used a diamond anvil cell, a research device similar to the one pictured, in their research to lower the pressure needed to observe a material capable of room-temperature superconductivity. Credit: NEXCL

据美国内华达大学拉斯维加斯分校University of Nevada, Las Vegas简称UNLV202283日报道,低压,高风险:UNLV物理学家在室温超导竞赛中取得重大进展(Low pressure, high stakes: UNLV Physicists make major gains in race for room-temperature superconductivity)。

1是由内华达大学拉斯维加斯分校UNLV内华达极端条件实验室(Nevada Extreme Conditions Lab简称NEXCL)提供的。来自UNLV内华达极端条件实验室(NEXCL) 的一组物理学家在他们的研究中使用了金刚石砧座电池(diamond anvil cell),这是一种类似于图中所示的研究设备,以降低观察能够实现室温超导性的材料所需的压力。

在发现一种能够实现室温超导性的材料震惊科学界不到两年后,UNLV的一个物理学家团队再次加大了赌注,以有记录以来的最低压力再现了这一壮举。换句话说,科学比以往任何时候都更接近于一种可用的、可复制的材料,这种材料有朝一日可以彻底改变能量的传输方式。

UNLV的物理学家阿什坎·萨拉马特(Ashkan Salamat)和同事、罗切斯特大学(University of Rochester)的物理学家兰加·迪亚斯(Ranga Dias)在2020首次报告室温超导性(reporting room-temperature superconductivity for the first time),成为国际头条新闻。为了实现这一壮举,科学家们首先将碳、硫和氢的混合物化学合成为金属状态,然后使用极压(extreme pressure, 267 GPa)进一步进入室温超导状态。这种环境只有在靠近地心的自然环境中才会出现。

快进不到两年,该团队现在能够以91 GPa 的压力完成这一壮举——大约是最初报告的压力的1/3。新发现于202277日已经作为一篇提前出版文章在《化学通讯》(Chemical Communications)杂志网站发表——G. Alexander Smith,   Ines E. CollingsElliot Snider,  Dean SmithSylvain PetitgirardJesse S. SmithMelanie WhiteElyse JonesPaul EllisonKeith V. Lawler,  Ranga P. DiasAshkan Salamat.  Carbon content drives high temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride below 100 GPa, Chemical Communications, First published 07 Jul 2022. DOI: 10.1039/D2CC03170A. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/cc/d2cc03170a

参与此项研究的除了来自美国UNLV的研究人员之外,还有来自美国罗切斯特大学、美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, Illinois, USA);瑞士联邦材料科学与技术实验室(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)以及瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich, Switzerland)的研究人员。

新发表的研究建立在该团队2020年具有里程碑意义的室温超导体发现的基础上,通过以更高的效率复制结果。 

超级发现(A super discovery

通过对最初突破中使用的碳、硫和氢的成分进行详细调整,科学家们现在能够在较低的压力下生产出一种保持其超导状态的材料。

UNLV内华达极端条件实验室(NEXCL)的研究生、上述研究论文的第一作者格雷戈里·亚历山大·史密斯(Gregory Alexander Smith)说:这些压力在实验室外难以理解和评估,但我们目前的轨迹表明,在持续较低的压力下实现相对较高的超导温度是可能的——这是我们的最终目标。归根结底,如果我们想让设备有利于社会需求,那么我们必须减少制造它们所需的压力。

尽管压力仍然很高——大约是你在太平洋马里亚纳海沟(Pacific Ocean's Mariana Trench)底部所经历的一千倍——他们继续朝着接近零的目标前进。随着科学家对构成材料的碳、硫和氢之间的化学关系有了更好的了解,这项竞赛在UNLV呈指数级增长。

指导UNLVNEXCL并为最新研究做出贡献的阿什坎·萨拉马特说:我们对碳和硫之间关系的了解正在迅速发展,我们正在发现导致与最初观察到的反应截然不同且更有效的反应。在类似的系统中观察到如此不同的现象,恰恰显示了大自然的丰富性。要了解的东西还有很多,每一项新的进步都让我们更接近日常超导设备的边缘。

能源效率的圣杯(The Holy Grail of energy efficiency

超导性是一个多世纪前首次观察到的举世瞩目的现象,但只有在非常低的温度下才会被实际应用。直到20世纪60年代,科学家们才推测这一壮举可能在更高的温度下是可能的。阿什坎·萨拉马特及其同事在2020年发现的室温超导体让科学界兴奋不已,部分原因是该技术支持零电阻的电流,这意味着通过电路的能量可以无限传导而不会损失功率。这可能对能源存储(energy storage)和传输产生重大影响,支持从更好的手机电池到更高效的能源网(energy grid)的一切。 

阿什坎·萨拉马特说:全球能源危机没有放缓的迹象,成本正在上升,部分原因是美国能源网由于当前技术效率低下每年损失约300亿美元。对于社会变革,我们需要以技术为先导,而我相信,今天的研究工作处于未来解决方案的最前沿。

根据阿什坎·萨拉马特的说法,超导体的特性可以支持新一代材料,这些材料可以从根本上改变美国及其他地区的能源基础设施。 他说:想象一下利用内华达州的能源并将其输送到全美国各地而不会造成任何能源损失。这项技术有朝一日是可以实现的。” 

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Under pressure, 'squishy' compound reacts in remarkable ways

Abstract

We report a previously unobserved superconducting state of the photosynthesized carbonaceous sulfur hydride (C–S–H) system with a maximum TC of 191(1) K below 100 GPa. The properties of C–S–H are dependent on carbon content, and X-ray diffraction and simulations reveal the system remains molecular-like up to 100 GPa.

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