《自然》：在低温和低压条件下制造出的切实可行的超导材料

诸平

Credit: University of Rochester / AJ Pow

据美国罗彻斯特大学(University of Rochester)2023年3月8日报道，罗彻斯特大学的研究人员在足够低的温度和压力下制造出了一种适合实际应用的超导材料(Viable superconducting material created at low temperature and low pressure)。根据机械工程和物理学助理教授兰加·迪亚斯（Ranga P. Dias）领导的研究小组的说法，“有了这种材料，周围环境条件下的超导和应用技术的曙光已到来。”相关研究结果于2023年3月8日已在《自然》（Nature）杂志网站发表——Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, Dylan Durkee, Nugzari Khalvashi-Sutter, Sasanka Munasinghe, Sachith E. Dissanayake, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat, Ranga P. Dias. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature, Published: 08 March 2023. Volume 615, pages 244–250.  DOI: 10.1038/s41586-023-05742-0. www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

在这篇论文中，研究人员描述了一种氮掺杂的氢化镥（nitrogen-doped lutetium hydride简称NDLH），在20.5 ℃和10 kbar(相当于145000磅/平方英寸即145000 psi）压力下显示出超导性。尽管145000 psi（海平面压力约为15 psi）看起来仍然非常高，但例如，芯片制造中常用的应变工程技术(strain engineering techniques)将材料通过更高的内部化学压力结合在一起。

一个多世纪以来，科学家们一直在追求凝聚态物理的突破。超导材料有两个关键特性：电阻消失（electrical resistance vanishes）和被逐出的磁场在超导材料周围传播。这些材料可以实现：

l         电网传输电力时不会损失高达2亿兆瓦时(200 MWh)的能量，现在由于电线中的电阻而造成的损失（Power grids that transmit electricity without the loss of up to 200 million megawatt hours (MWh) of the energy that now occurs due to resistance in the wires）

l         无摩擦、悬浮的高速列车（Frictionless, levitating high-speed trains）

l         更实惠的医疗成像和扫描技术，如核磁共振成像（MRI）和磁心图（More affordable medical imaging and scanning techniques such as MRI and magnetocardiography）

l         更快，更高效的电子数字逻辑和存储设备技术（Faster, more efficient electronics for digital logic and memory device technology）

l         利用磁场限制等离子体，以实现核聚变的托卡马克机器可作为无限能量的来源（Tokamak machines that use magnetic fields to confine plasmas to achieve fusion as a source of unlimited power）

研究人员不仅提高了呈现超导性的温度，还降低了达到超导性所需的压力。此前，兰加·迪亚斯团队报告说，他们创造了两种材料——碳质硫氢化物（carbonaceous sulfur hydride）和超氢化钇（yttrium superhydride）——分别在58 ℉/3900万psi和12 ℉/2600万psi下都能进行超导的研究论文，已经《自然》（Nature）和《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表。

鉴于新发现的重要性，兰加·迪亚斯和他的团队付出了不同寻常的努力来记录他们的研究，并阻止了此前《自然》（Nature）杂志论文发表后引发的批评，这篇论文导致该杂志的编辑撤回（retraction）了已经发表的研究论文。

兰加·迪亚斯说，之前的论文已经重新提交给了《自然》（Nature）杂志，其中有新的数据证实了之前的工作。新的数据（new data）是在实验室外收集的，在美国阿贡国家实验室和布鲁克海文国家实验室，一群科学家现场观看了超导转变过程。新论文采用了类似的方法。

兰加·迪亚斯实验室的五名研究生（Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan, and Dylan Durkee）成为新研究的主要作者。兰加·迪亚斯说：“小组里的每个人都参与了实验，这确实是一项集体努力的结果”。

超导及其他领域的“惊人的视觉转变”('Startling visual transformation' at superconductivity and beyond)

近年来，通过将稀土金属与氢结合形成氢化物，然后再加入氮或碳，产生的掺杂氢化物为研究人员提供了制造超导材料的诱人“工作配方（working recipe）”。用技术术语来说，稀土金属氢化物形成笼状结构，其中稀土金属离子作为载体供体，提供足够的电子来增强H₂分子的解离。氮和碳有助于稳定材料。结论：超导性的产生需要更小的压力。

除了钇，研究人员还使用了其他稀土金属。然而，合成的化合物在适当温度或压力下变成了超导体，而这种温度或压力仍不适合实际应用。所以，这一次，兰加·迪亚斯沿着元素周期表寻找其他位置的元素。

兰加·迪亚斯说，镥（Lu, 4f¹⁴5d¹6s²）元素看起来是“一个值得尝试的好候选者”。它在其f轨道构型中具有高度局域化的全充满的14个电子，这可以抑制声子软化(phonon softening)，并增强在环境温度下超导所需的电子-声子耦合（electron-phonon coupling）。“关键问题是，我们如何稳定它来降低所需的压力?这就是氮的由来。”

兰加·迪亚斯说，氮和碳一样，具有刚性的原子结构，可以用来在材料中形成更稳定的笼状晶格，它可以硬化低频光学声子。这种结构为在较低压力下产生超导性提供了稳定性。

兰加·迪亚斯的团队制造了一种99%氢气和1%氮气的混合气体，将其放入装有纯镥（Lu）样品的反应室中，让这些组分在392 ℉下反应两到三天。

论文中表述，产生的镥氮氢化合物（lutetium-nitrogen-hydrogen compound, Lu—N—H）最初呈“有光泽的蓝色(lustrous bluish color)”。当这种化合物在金刚石压腔中被压缩时，一个“惊人的视觉转变”发生了：从蓝色变成粉红色开始呈现超导性，然后变成亮红色的非超导金属态。

兰加·迪亚斯说：“这是一种非常明亮的红色。看到如此强烈的色彩，我感到非常震惊。我们幽默地给这种状态的材料起了个代号——‘红质’（‘reddmatter’），它是根据斯波克（Spock）在2009年广受欢迎的《星际迷航》（Star Trek）电影中创造的材料命名的。”

引发超导性所需的压力为145000 psi，这比兰加·迪亚斯实验室之前的低压低了近两个数量级。

预测新型超导材料的机器学习算法(Machine learning algorithms for predicting new superconducting materials)

兰加·迪亚斯的实验室现在已经回答了超导材料能否在环境温度和足够低的压力下生存的问题。兰加·迪亚斯说：“通往超导消费电子产品、能源传输线路、交通和磁约束核聚变的重大改进的途径现在已经成为现实。我们相信我们现在处于现代超导时代（modern superconducting era）。”

例如，兰加·迪亚斯预测，氮掺杂的氢化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH）将大大加快发展托卡马克装置（tokamak machines）以实现聚变的进程。“托卡马克”并没有使用强大的会聚激光束来内爆燃料球，而是依靠一个环形外壳发出的强磁场来捕获、保持和点燃过热的等离子体。兰加·迪亚斯说，NDLH在室温下会产生“巨大的磁场（enormous magnetic field）”，将改变这项新兴技术的“游戏规则”。

据兰加·迪亚斯称，尤其令人兴奋的是，有可能利用实验室超导实验中积累的数据来训练机器学习算法，从而预测其他可能的超导材料——实际上，是由数千种稀土金属（rare earth metals）、氮、氢和碳的可能组合进行混合和匹配。

兰加·迪亚斯说：“在日常生活中，我们有许多不同的金属用于不同的应用，因此我们也需要不同种类的超导材料（superconducting materials）。就像我们在不同的应用中使用不同的金属一样，我们需要更多的环境条件下的超导体来满足不同的应用。”

作者之一、美国超自然材料公司（Unearthly Materials Inc., Rochester, NY, USA）的基思·劳勒（Keith V. Lawler）已经开始开发算法，并利用罗彻斯特大学综合研究计算中心（University of Rochester's Center for Integrated Research Computing）提供的超级计算资源进行计算。

纽约北部的超导材料中心？(An upstate New York hub for superconducting materials?)

兰加·迪亚斯的研究小组最近搬进了位于里弗校区霍普曼大厅（Hopeman Hall on the River Campus）三楼的新实验室。他说，这是一项宏伟计划的第一步，该计划将在罗切斯特大学设立一个授予学位的超导创新中心(Center for Superconducting Innovation简称CSI)。该中心将创造一个生态系统，吸引更多的教师和科学家到罗切斯特大学，推动超导科学的发展。经过培训的学生将扩大该领域的研究人员队伍。

“我们的希望是让纽约北部成为超导技术的中心（upstate New York the hub for superconducting technology）” 兰加·迪亚斯说。

本研究由美国国家科学基金会（NSF grant no. DMR-2046796）、美国能源部，科学办公室，核聚变能源科学奖（US Department of Energy, Office of Science, Fusion Energy Sciences under award number DE-SC0020340）以及美国超自然材料公司（Unearthly Materials Inc.）的资助。

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。

Abstract

The absence of electrical resistance exhibited by superconducting materials would have enormous potential for applications if it existed at ambient temperature and pressure conditions. Despite decades of intense research efforts, such a state has yet to be realized^1,2. At ambient pressures, cuprates are the material class exhibiting superconductivity to the highest critical superconducting transition temperatures (T_c), up to about 133 K (refs. 3,4,5). Over the past decade, high-pressure ‘chemical precompression’^6,7 of hydrogen-dominant alloys has led the search for high-temperature superconductivity, with demonstrated Tc approaching the freezing point of water in binary hydrides at megabar pressures^{8,9,10,11,12,13}. Ternary hydrogen-rich compounds, such as carbonaceous sulfur hydride, offer an even larger chemical space to potentially improve the properties of superconducting hydrides^{14,15,16,17,18,19,20,21}. Here we report evidence of superconductivity on a nitrogen-doped lutetium hydride with a maximum T_c of 294 K at 10 kbar, that is, superconductivity at room temperature and near-ambient pressures. The compound was synthesized under high-pressure high-temperature conditions and then—after full recoverability—its material and superconducting properties were examined along compression pathways. These include temperature-dependent resistance with and without an applied magnetic field, the magnetization (M) versus magnetic field (H) curve, a.c. and d.c. magnetic susceptibility, as well as heat-capacity measurements. X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray (EDX) and theoretical simulations provide some insight into the stoichiometry of the synthesized material. Nevertheless, further experiments and simulations are needed to determine the exact stoichiometry of hydrogen and nitrogen, and their respective atomistic positions, in a greater effort to further understand the superconducting state of the material.