常温常压超导是什么?对材料革命有何影响?

常温常压超导又称常温超导体,其实不论高温、室温或低温,只要尽量将化合物中的各种粒子给处于稳定一点的状态,并令(其中各种粒子的)自旋方向一致,自旋速度一致,如此一来便能使得,待传送的那个电子拥有一个更平稳.顺向的传送环境,便可近乎于常温超导体的概念了。传送过程中, 不被反向自旋的粒子 ,给碰撞干扰 ,也不被顺向但自旋较慢之粒子给减速。

国马普研究所的安德里亚·卡瓦莱里与一个国际团队合作发现,当YBCO被红外激光脉冲照亮时,在很短的一瞬间,它会暂时在室温下变成超导体。红外脉冲不只是激发这些原子振荡,还使它们的位置在晶体中发生偏移。这会使双层氧化铜短时间内变得更厚一些,增厚了大约2皮米(差不多是一个原子直径的百分之一),而它们之间的夹层则相应变窄了那么多。进而,这样的变化增加了双层之间的耦合程度,使得这种晶体在几皮秒内变成了室温超导体。

 一方面,新的研究结果有助于补完仍旧不完整的高温超导理论。另一方面,它可以帮助材料科学家开发具有更高临界温度的新超导材料。超导磁体、引擎和线缆都必须用液氮或液氦冷却到远低于零度的温度。如果复杂的冷却设施不再需要,那超导技术就获得了突破。

能在常温常压下工作的超导体,将使全球化电力供应梦想成真。通过横穿地中海底的超导电缆,非洲撒哈拉沙漠的太阳也可以给西欧供电。电缆必须一直浸在77K(约 -196℃)的液氮之中。因此,如果要架设这样的电缆,每隔一千米左右就必须安装泵机和冷却设备,大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度。      

人类这次的发现,证明了物理学家Neil Ashcroft预测,金属氢在常温下可能是超导体。

在超导体中,两个电子会配对形成所谓“库珀对”(Copper pair)。一旦电子结伴,所以它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体,会让电阻彻底消失。

当带正电的原子被电子吸引后,他们就会聚集起来,所以这里正电荷多一点,那么自然会吸引别的电子过来,这样两个电子即完成配对。

很显然原子质量越重,就越难被电子吸引,电子也就越难形成库珀对,因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢。

但问题是,经常压下固态氢中没有自由电子。那么只有高压改变固态氢的结构,因此让氢释放出电子,才有可能形成库珀对。此时氢变成了一种金属状态——金属氢。

1968年,康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测,那么金属氢在常温下应该是超导体。

因此,要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了,以现有实验室条件难以达到标准,倒是木星内部有可能满足这样的条件。

不久之前,哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢,但压力不足以让其变成超导体。

因此,Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上,这类化合物等于用化学键把氢原子拉近,或许能在稍低的压力下变成超导体。

所以添加多少比例的氢是一个技术活。如果添加太少的话,化合物就不会像金属氢那样超导。如果添加太多,那么化合物超导所需压力太大,实验室里难以达到标准。

终于在2015年,德国科学家终于发现Eremets,一种氢和硫的化合物在零下70摄氏度时转变成超导体。


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