去年八月，斯坦福大學(xué)宣布了一個(gè)高溫超導(dǎo)的新時(shí)代：鎳時(shí)代（如下截圖“博科園”去年國(guó)內(nèi)率先報(bào)道解析）；研究發(fā)現(xiàn)，在一類特殊的材料，即所謂的鎳酸鹽中，存在著很有前景的超導(dǎo)體，這種超導(dǎo)體即使在高溫下也可以在沒有任何電阻的情況下傳導(dǎo)電流。

然而，很快就變得明顯的是，斯坦福大學(xué)這些最初令人嘆為觀止的結(jié)果，無法被其他研究小組復(fù)制重現(xiàn)。

維也納技術(shù)大學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)找到了原因：在一些鎳酸鹽中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)中加入了額外的氫原子。這完全改變了材料的電學(xué)性能，在生產(chǎn)新的超導(dǎo)體時(shí)，現(xiàn)在必須考慮這種影響。有些材料只有在接近絕對(duì)零度附近溫度時(shí)才是超導(dǎo)體，這樣的超導(dǎo)體不適合技術(shù)應(yīng)用。因此，幾十年來，科學(xué)家一直在尋找即使在更高的溫度下也保持超導(dǎo)的材料。20世紀(jì)80年代，“高溫超導(dǎo)體”被發(fā)現(xiàn)。

“氫”君側(cè)

然而，這里所說的“高溫”仍然很冷：即使是高溫超導(dǎo)體，也必須經(jīng)過強(qiáng)力冷卻才能獲得其超導(dǎo)性能。因此，在更高溫度下尋找新超導(dǎo)體的工作仍在繼續(xù)。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家特別關(guān)注所謂的銅酸鹽，也就是含銅的化合物，這就是為什么我們也談到了銅時(shí)代。維也納技術(shù)大學(xué)固態(tài)物理研究所的卡斯滕·霍爾德教授解釋道：有了這些銅酸鹽，盡管今天高溫超導(dǎo)理論仍有許多懸而未決的問題，但還是取得了一些重要的進(jìn)展。

但現(xiàn)在已經(jīng)有一段時(shí)間了，其他的可能性也在考慮之中，以含鐵超導(dǎo)體為基礎(chǔ)的所謂“鐵時(shí)代”已經(jīng)存在。2019年夏天，來自斯坦福大學(xué)的哈羅德·黃研究小組成功展示了鎳酸鹽的高溫超導(dǎo)電性：根據(jù)計(jì)算，在10年前就已經(jīng)提出了鎳酸鹽作為超導(dǎo)體的理論設(shè)想，但它們與現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的有些不同。它們與銅酸鹽有關(guān)，但含有鎳原子，而不是銅原子。

然而，在經(jīng)歷了一些最初的熱情之后，近幾個(gè)月來已經(jīng)變得明顯的是，鎳酸鹽超導(dǎo)體生產(chǎn)比最初想象的要困難得多。其他研究小組報(bào)告表明：他們的鎳化合物沒有超導(dǎo)特性，這個(gè)明顯的矛盾現(xiàn)在得到了澄清。維也納技術(shù)大學(xué)梁思說：我們?cè)诔?jí)計(jì)算機(jī)的幫助下分析了鎳酸鹽，發(fā)現(xiàn)它們非常容易接受材料中的氫，在某些鎳酸鹽的合成中，可以加入氫原子，這完全改變了材料的電子性質(zhì)。

然而，并不是所有的鎳酸鹽都會(huì)發(fā)生這種情況，計(jì)算表明，對(duì)于大多數(shù)鎳酸鹽來說，加入氫在能量上更有利，但對(duì)斯坦福大學(xué)的鎳酸鹽來說就不是這樣了。即使是合成條件上的微小變化也能起到作用。來自新加坡國(guó)立大學(xué)阿里安多·阿里安多周圍的小組報(bào)告顯示：他們也成功地生產(chǎn)出了超導(dǎo)鎳酸鹽，因其讓生產(chǎn)過程中釋放的氫氣立即逸出。

用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算臨界溫度

在維也納技術(shù)大學(xué)，正在開發(fā)新的計(jì)算機(jī)計(jì)算方法，并用于理解和預(yù)測(cè)鎳酸鹽的性質(zhì)。由于大量的量子物理粒子總是同時(shí)在這里發(fā)揮作用，計(jì)算非常復(fù)雜，但通過結(jié)合不同的方法，現(xiàn)在甚至可以估計(jì)各種材料超導(dǎo)到的臨界溫度。這樣可靠的計(jì)算以前是不可能的。特別是，維也納技術(shù)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，能夠計(jì)算出鎳鹽超導(dǎo)所允許的鍶濃度范圍，這一預(yù)測(cè)現(xiàn)在已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。

高溫超導(dǎo)是一個(gè)極其復(fù)雜和困難的研究領(lǐng)域，新的鎳酸鹽超導(dǎo)體，加上對(duì)理論的理解和計(jì)算機(jī)計(jì)算的預(yù)測(cè)能力，為固體物理的偉大夢(mèng)想開辟了一個(gè)全新視角：一種在常溫室溫下工作的超導(dǎo)體，因此無需任何冷卻。

博科園｜研究/來自：維也納技術(shù)大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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