更緊密分布的氫原子,可促進常溫常壓下超導現象

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 04 日 19:35 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


假如常溫超導材料有朝一日終於問世,將在工業領域徹底改變能源效率。最近美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)科學家發現,金屬氫化物材料中的氫原子排列比模型預測得還要緊密,這種特徵可能是促進常溫超導現象的關鍵。

超導體是指在特定溫度下呈現電阻為零的導體,可形成極強大的磁場,能產生不少革命性應用,比如時速超過 500 公里的磁浮列車、超導量子干涉儀(已有實際應用,如:MRI)、粒子加速器、超導輸電線路等。

百年前,科學家在極低溫度(4.2K)下首度發現材料具有超導特性,如今科學研究已進展到高溫超導體,目前已知最高溫的超導體材料是超氫化鑭,在 170GPa 壓力、零下 23℃(250K)時會出現超導特性。

一個超導材料的溫度越接近室溫,商業化成功機率也越大,然而上述超氫化鑭最可惜的是仍需要施加極高壓力,離普及應用還有段距離。幾十年來,材料科學家的「聖杯」就是尋找能在室溫與常壓下出現超導特性的材料,更崇大的目標是自廉價、性質穩定的金屬中發現。

最近,美國橡樹嶺國家實驗室團隊進行了中子散射實驗,研究在大氣壓力下、溫度介於 5~250K 的釩鋯氫化物樣本,發現金屬氫化物中氫原子的排列比過去模型預測得還要緊密,這可能是促進常溫常壓超導體的關鍵。

見首圖原子結構,釩原子(金色)與鋯原子(白色)包圍住中間的氫原子(紅色),氫與氫之間的距離短至1.6 Å,如此能讓更多氫填充至材料中從而促進超導。已知金屬中所含的氫會影響其電子性能,因此原子間的排列結構非常重要,過去已發現具有類似氫原子排列的其他材料具有超導特性,但僅能在極高壓力下出現。

接下來的實驗中,研究人員準備於釩鋯氫化物內添加更多氫,以評估該材料的電導率,也許能再度突破高溫超導體的紀錄。新論文發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

(首圖來源:橡樹嶺國家實驗室

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