近日火爆全網(wǎng)的室溫超導(dǎo)論文，再次將低溫物理科研推到了大眾的視野里。自昂內(nèi)斯1911年發(fā)現(xiàn)汞金屬的超導(dǎo)電性之后，各種超導(dǎo)材料的研究進(jìn)入了爆炸式增長(zhǎng)，從金屬到合金超導(dǎo)體、銅氧化物超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、有機(jī)超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體以及其他氧化物超導(dǎo)體等，超導(dǎo)溫度也在不斷提升。
然而即便是常見(jiàn)的高溫超導(dǎo)材料仍要接近液氮溫度才能夠?qū)崿F(xiàn)，使得超導(dǎo)材料距離人們生活中大規(guī)模應(yīng)用仍然存有相當(dāng)?shù)木嚯x。而近日在美國(guó)物理學(xué)會(huì)春季會(huì)議，羅徹斯特大學(xué)的蘭加·迪亞斯團(tuán)隊(duì)宣布在1GPa壓強(qiáng)下，在镥-氮-氫體系中實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，使整個(gè)物理學(xué)界沸騰了。這篇工作也刊登于Nature期刊，3月8日在線發(fā)表。
圖1. 蘭加·迪亞斯在美國(guó)物理學(xué)會(huì)春季會(huì)議的報(bào)告
相比于之前的氫化物超導(dǎo)，此次氮摻雜镥氫化物超導(dǎo)存在兩個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：一是該超導(dǎo)材料的臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到了21度，二是壓力僅需要1萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1Gpa）。這與之前動(dòng)輒上百Gpa壓力的極端高溫超導(dǎo)條件天差地別，具有極高的應(yīng)用潛力。
如此震驚世界的發(fā)現(xiàn)，作者在進(jìn)行超導(dǎo)判定時(shí)也非常謹(jǐn)慎，分別從電、磁、熱三個(gè)維度進(jìn)行了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。氮摻雜镥氫化物隨著壓力的增加，會(huì)發(fā)生兩次明顯的可視相變，起初樣品無(wú)超導(dǎo)性，呈現(xiàn)藍(lán)色（I相）。隨著壓力增加到3kbar，樣品進(jìn)入超導(dǎo)相（II相），顏色也轉(zhuǎn)變?yōu)榉奂t色。進(jìn)一步提升到32kbar以上，樣品再次進(jìn)入一個(gè)無(wú)超導(dǎo)金屬相（III相），樣品顏色此時(shí)也轉(zhuǎn)變?yōu)轷r艷紅色。
圖2：镥-氮-氫體系超導(dǎo)與可視相變
對(duì)不同壓力下的超導(dǎo)相進(jìn)行電輸運(yùn)測(cè)量，零外場(chǎng)條件下，溫度依賴的電輸運(yùn)測(cè)量表明，隨溫度下降，電阻會(huì)存在一個(gè)陡然下降至零的行為，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度與轉(zhuǎn)變溫度的比值ΔT/ΔTC在0.005至0.036范疇，可以在GL理論的臟極限范疇解釋。零外場(chǎng)下，V-I特性曲線在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度上下明顯不同：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之上，材料具有線性V-I響應(yīng)，符合歐姆定律；超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之下，電壓幾乎不可測(cè)量，并具有非線性響應(yīng)。
圖3. 镥-氮-氫體系溫度依賴的電輸運(yùn)測(cè)量和V-I特性曲線
對(duì)于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變判定，除零電阻行為外，更為關(guān)鍵的是邁斯納現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。本文磁學(xué)測(cè)量方面，溫度依賴的磁化強(qiáng)度曲線和M-H曲線基于Quantum Design PPMS系統(tǒng)完成，并搭配了相應(yīng)的磁測(cè)量高壓包選件。在8kbar壓強(qiáng)下，場(chǎng)冷、零場(chǎng)冷條件下磁化強(qiáng)度的測(cè)量表明了一個(gè)清晰明確的邁斯納現(xiàn)象的存在，確定超導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)?77K。寬超導(dǎo)可能源于高壓包不同壓力梯度或者材料的不均勻性。磁測(cè)量獲得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變與電阻測(cè)量結(jié)果相吻合。除直流磁化率外，交流磁化率也明顯觀測(cè)到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變帶來(lái)的抗磁性。
圖4. 镥-氮-氫體系直流與交流磁化率測(cè)量
而熱輸運(yùn)方面，比熱測(cè)量同樣是驗(yàn)證超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的重要途徑，根據(jù)BCS理論，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變伴隨有能帶打開(kāi)能隙，會(huì)導(dǎo)致比熱激增。本文采用了新型交流量熱技術(shù)，獲得了不同壓力下，材料比熱隨溫度的演變關(guān)系，可以看出，比熱具有明顯的不連續(xù)特征，由此獲得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也與電、磁測(cè)量相吻合。
圖5. 镥-氮-氫體系的高壓比熱測(cè)量
本文通過(guò)電、磁、熱三個(gè)維度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了镥-氮-氫體系在1GPa下接近室溫的超導(dǎo)電性，但關(guān)于其內(nèi)容見(jiàn)解，各路大神眾說(shuō)紛紜。此篇文章中，使用了PPMS磁測(cè)量高壓腔組件，能夠?qū)崿F(xiàn)1.3GPa壓力下的等靜壓磁學(xué)測(cè)量。相信在未來(lái)的超導(dǎo)探索工作中，PPMS的磁學(xué)測(cè)量和電學(xué)測(cè)量高壓腔能夠發(fā)揮更多更重要的貢獻(xiàn)。
圖6：Quantum Design 高壓磁學(xué)和電學(xué)測(cè)量功能組件
相關(guān)產(chǎn)品：
綜合物性測(cè)量系統(tǒng)-PPMS：http://www.buyu5683.com/product/20160315741.shtml
完全無(wú)液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)-DynaCool：http://www.buyu5683.com/product/20191202210.shtml
