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    氢我一下就超导

    QUANTUM量子科学仪器贸易(?#26412;?#26377;限公司2018年2月26日 11:09 点击:460


    本文由知社学术圈(zhishexueshuquan)授权转载

     

    【摘 要】

    近日,中国人民大学于伟强教授研究组和清华大学于浦教授(Quantum Design产品用户)研究组与国内同行合作,利用离子液体栅极技术实现了铁基超导材?#31995;?#27682;化,并成功获得非易失性电子掺杂下的超导电性。该工作首次将FeS材?#31995;?#36229;导转变温度由5K提高到18K,突破了铁基超导核磁共振实验长久以来的困境,开辟了超导电性探索的新途径。 相关成果以题为“Protonation induced high-Tc phases in iron-based superconductors evidenced by NMR and magnetization measurements”发表在了2018年1月1日出版的Science Bulletin上 (Science Bulletin 63, 11-16(2018))[1]

    为什么氢化能够实现超导?

    该研究方法的出现意味着什么?


     罗会仟 | 中国科学院物理研究所 副研究员 科普作家


    【1、氢与超导结亲情】

    氢,是自然界最轻的元素,仅含有一个质子和一个电子。氢是自然界最重要的元素之一,因为氢和氧构成了水,才孕育了万物生灵。氢也?#24378;?#23398;研究最重要的起点,量子力学的成功,正是从氢原子起步的。

    超导,是一种神奇的宏观量子凝聚现象,在一定温度以下,某些材?#31995;?#38459;会降为零,同时出现完全抗磁性。超导的本质来源于材料中电子的两两配对,正所谓“?#20449;?#25645;配、干活不累?#20445;?#37197;对的电子能够实现无阻碍的导电。只是,对于大部分超导材料,都要降到足够低的温度之下才能超导,?#28006;?#20026;超导临界温度。如何提高超导临界温度,以及如何理解超导微观机理,成为超导研究的核心目标[2]

    长久以来,科学家执着地认为氢单质就有希望实现室温下的超导电性,但条件是极其?#37327;?#30340;——需要在超高压力下将其金属化,这个压力约等于地球内部压力,在百万个大气压之上!实现如此高的静止压力只有一个办法,就是冒着爆炸的危险,用两块金刚石对顶可劲儿压。虽然有科学家宣?#26222;业?#20102;金属氢,?#27426;?#21364;在测定其超导电性过程中不慎失手打碎了金刚石[3]。德国科学家也在氢的硫化物中?#19994;?#20102;203K的超导电性,但需要在200万个大气压下[4]!如此大得不得了的压力,谈应用前景是几乎不可能的了。

    氢与超导之间千丝万缕的联系,始终萦绕在科学?#19994;哪院!?/span>

    2-1.jpg

     图1. 超高压下的金属氢[3]

     

    【2、中式炒菜下的高温超导】

    超导材?#31995;?#25506;索,被科学家戏称为“中式炒菜?#34180;?#25226;几类元素单质或化合物经过一定的配?#28982;?#21512;,经过高温烧结等工序,就能得到超导体。正如鲁、川、粤、苏、浙、闽、湘、徽等八大菜系一样,超导材料也因为炒菜原料和方式不同,有着不同的体系,包括金属单质、合金、氧化物、硫化物、有机物等多?#20013;?#24335;的材料。这些?#23433;?#21697;”口味不一,物理性质千差万别,超导临界温度也各有千秋。

    上世纪80年代,一类新的铜氧化物超导体被发现,因为它们突破了当时理论预言的40K极限,被?#28006;?#20026;“高温超导体”[2][5]。历经30余年,许多铜氧化物高温超导体被发现,极大地推进了超导研究的历史进程。到了2008年,新一类高温超导体再次被发现,它们是“铁基超导体”?#26131;澹?#20197;铁砷化物、铁硒化物和铁硫化物为主,块体临界温度可达55K,单原子层薄膜临界温度突破了65K,并且有可能走向更高[6]。高温超导?#33756;?#19968;个普遍物理现象,可人们却仍不知甚解。

    两类高温超导体都有一个共同特征,那就是需要高超的炒菜手艺。不仅仅是简单的原料混合,也需要精确把握火候(温度)和工艺。最难之处在于,需要加一定的诸如糖、盐、醋、?#20174;汀?#21619;精、花椒等调料,把口味调对了,才能出现最完美的超导。这个调料,就是化学掺杂,通过元素替换或者原子缺陷,人为给增加电流的载体——电子或空穴,低温下的大量配对才会出现超导。铜氧化物高温超导体的母体本身是一个带有反铁磁性的绝缘体,?#27426;?#25530;杂可以将其调到金属导体状态,再降温后就成为超导体。如果炒得一手好菜,超导临界温度在常压下最高能达到135K左右,离室温300K还有一定距离,然已经比单质金属要“有滋有味”多了(如金属铝为1.4K、金属汞为4.2K、金属铌为9K)[7]

    调料加多了,也有烦恼。吃起来很香很美很有味儿,却难以搞明?#36164;?#21738;个调料起到了关键作用,或者调料复合下究竟是一个什么机制。因为载流子掺杂效应极其复杂,比如改变材?#31995;?#26230;体结构、磁性、电性、热力学性?#23454;?#31561;,许多现象已经超越了我们已有的理论框架体系。高温超导的微观机理问题,多年来也一直是个科学之谜,成为了凝聚态物理皇冠?#31995;?#32768;眼明珠。

    3-1.jpg

     图2. 铜基和铁基高温超导体的掺杂相图[2]

     

    【3、?#20154;?#19982;酗酒的超导体】

    在其他科学家满头大汗忙着炒?#25628;?#25214;超导体的时候,某些人也剑走偏锋,玩起了蒸包子超导体和酗酒超导体。

    例如一类钴氧化物本身难以超导,但是经过蒸笼里历练历练,把水分掺进去之后,它就超导了[8]

    又如,一类铁硫化物材料超导性能往往很差,把它泡在各种酒里面喝高了之后,它就超导了!而且这?#19968;?#36824;酒品高雅,最喜欢法国某酒庄某年份的某品牌红葡萄酒,光喝酒精反而不行[9]

    无论是水还是酒,里面隐藏的奥秘,或许是传说中的氢?

    4-1.jpg

    图3. ?#20154;?#30340;超导体NaxCoO2和喝酒的超导体FeTe0.8S0.2[8][9]

     

    【4、洗澡蟹里出超导】 

     

    ?#20843;島人?#21644;喝酒都能超导,给某些材料洗洗澡,是否?#37096;?#20197;超导了呢?就像某湖水里的大闸蟹,洗洗涮涮再贴个标签,立马身价?#23545;觶?#24050;是众所周知的秘密。

    给铁基超导材料洗洗澡,结果会怎么样?

    中国科学?#19968;?#30495;就这么干了!?#38750;?#22320;说,是给铁硫化物泡了个温泉。该泉水可不一般,是一堆“离子液体?#20445;?#37324;面充满了多种带电离子。用铂丝做阳极,要泡澡的材料做阴极,?#30001;?#26629;极电压。于是,离子液体里的氢离子,就在电极作用下,呼啦啦涌到材料表层,甚至渗入内部。氢离子(质子)带正电,注入到材料中后为保持电?#34892;裕?#22823;量电子也就涌入到材料内部,从而使得材料?#23548;?#19978;掺杂了更多的电子。

    电子掺杂让原本只有5K超导的FeS变成了18K超导,而FeSe0.97S0.03则出现了42.5K的超导,甚至完全不超导的BaFe2As2母体材料,也出现了20K的超导!原本需要进行元素替换的化学掺杂,这里通过“洗澡”方式注入氢离子,也同样实现掺杂后的超导,而且材?#31995;?#26230;体结构并未发生改变。

    真是“氢我一下就超导?#20445;?/strong>

     

    【5、氢?#28006;?#19978;?#34892;?#22937;】

     

    利用栅极电压来改变材料中的载流子数量/浓度,并不是什么新的发明。?#23548;?#19978;,半导体材料玩的就是这一套。在半导体PN结里,通过偏压控制电流通过或者不通过可以做逻辑电路元件,通过控制电子-空穴对湮灭可以实现LED光学元件[10]。必须注意的是,超导体中的载流子浓度,与半导体相比,可是天壤之别,前者要大7-8个数量级。毫无疑问,载流子浓度越高,参与导电的粒子就越多,导电性才会越好。指挥一支敢死队的方法,不一定适用于千军万马对阵。

    利用离子液体或离子固体门电压调控,也?#24378;?#20197;调节超导体表面的电子浓度的。中国科学?#20202;?#20960;年就发现,FeSe薄层材料原本临界温度只有9K,在离?#29992;?#35843;节载流子后,迅速提升到了46K[11]。这种技术靠的是在材料表面覆盖一层离子,通过偏置电压让离子聚集在表面,体内电荷就会重新分布,造成掺杂效应。产生的效应尺度有限,撤掉偏压会失去效应,调控掺杂浓度有限,是该方法的缺点。

    如果直接把离子打入材料内部呢?清华大学的于浦教授想到了电化学方法。干脆把材?#31995;?#20570;电极本身,在离子液体里?#30001;系?#21387;,离子就会注入或离开材料,从而实现电子或空穴掺杂。经过摸索,他们首先在氧化物材料实现了电化学离子注入。只要控制好温度和电压,就能无损害材料本身而调节其物性,并且过程?#24378;?#36870;的!

    中国人民大学的于伟强教授主要做核磁共振研究,多年以来的梦想就是实现高温超导体的注氢。因为核磁共振对同位素有极大的选择性,高温超导体里面含有的元素要么不合?#39318;?#23454;验,要么需要的同位素极贵无比,注入核磁共振信号最强的氢离子?#20146;?#21512;?#20160;?#36807;了。于浦教授的方法和于伟强教授想法一拍即合,于是“二于配合”顺利把氢离子搞定进入超导体。

    5-1.jpg

    图4. 注氢铁基超导实验原理、结果及主要研究人员:崔祎、于浦、于伟强等(于伟强提供)

    神奇的一幕就此揭开了,铁基超导的性能获得了大幅度的提升!同样“注氢超导”也?#24378;?#36870;的,且几乎不改变材料结构,同时可以撤离“洗澡水”依然保留超导。这意味着,该新型超导调控手段可?#21592;?#20813;之前化学掺杂带来的麻?#24120;?#19981;?#37995;?#26680;磁共振,也为其他超导探测手段提供了连续可控的干净样品。无论是超导材料还是超导机理的研究,都将为此受益!

    目前,他们正在和国内的合作者一起,试图在更多的材料里面实现注氢超导,终将在?#23454;?#36229;导研究之峰上,开辟出一条崭新的道路!

     

    【致谢】 

    ?#34892;?#20013;国人民大学于伟强教授、清华大学于浦教授、Science Bulletin编辑邹文娟等人?#28304;宋?#30340;修改和帮助。

     

    参考文献 

    [1]. Y. Cuiet al.,Science Bulletin 63, 11-16(2018) 

    [2]. 罗会仟, 周兴江, 神奇的超导, 现代物理知识, 24(02), 30-39 (2012).

    [3]. R. P. Dias, I. F. Silvera, Science 355(6326), 715-718(2017).

    [4]. A. P. Drozdov et al., Nature 525, 73-76 (2015).

    [5]. J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B. 64, 189 (1986).

    [6]. 罗会仟, 铁基超导的前世今生, 物理, 43(07), 430-438(2014).

    [7]. A. Schilling et al., Nature 363, 56-58(1993).

    [8]. K.Takada et al., Nature 422, 53-55(2003).

    [9] K.Deguchi et al.,Supercond. Sci. Technol. 24, 055008(2011).

    [10]. 黄昆, 谢希德, 《半导体物理学》, 科学出版社, 2012.

    [11]. B. Lei et al., Phys. Rev. Lett. 116, 077002 (2016).

    [12]. N. Lu et al.,Nature 546, 124–128 (2017). 


    (来源: QUANTUM量子科学仪器贸易(?#26412;?#26377;限公司


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