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常温超导时代还有多远?俄科学家获重要突破,

超导材料能够在没有任何阻力的情况下传输电力,可以彻底改变目前的能源消耗困扰。但迄今为止,研究人员只能在极低温度或极端压力下的少数材料中发现超导性。目前的记录保持者是一种罕见的氢硫化合物,在203开尔文(-70摄氏度)下实现了“高温”超导性。

不过最近,来自美国、俄罗斯和中国的研究团队通过实验证实了奇异的全新铀化合物的存在,并预测这些铀化合物可以实现接近室温的超导性。

超导体(superconductor)是指在某一温度下电阻为零(10-25Ω)的导体,在输电和储能、电子学应用(超导计算机、超导天线、超导微波器件)、抗磁性应用(磁悬浮和热核聚变反应堆)等方面极具优势。但问题是超导材料需要极冷条件如绝对零度0 K(-273.1摄氏度)才能工作。

20世纪80年代,科学家发现某些陶瓷材料如铊-钡-钙-铜-氧系材料在125 K时具有超导性,将临界超导温度提高了100 K以上。2015年,德国马克斯普朗克化学研究所的科学家们发现硫化氢可以在203 K(-70摄氏度)具备超导特性。之后,科学家开始寻找其他非金属中的超导氢化物,氢化物已经成为逐梦超导的科学家们的目标新材料。

正如充满希望的非金属氢化物一样,目前有充分的理由认为金属氢化物不应该被忽视。今年早些时候, 莫斯科物理科学与技术研究所(MIPT)和 Skoltech 的物理学家利用Al技术对锕系系列元素应用了一种新算法,确定哪些元素可能形成稳定的氢化物。此后, 该团队开始关注铀, 预计由铀元素制成的氢化物可以成为良好的超导体,且无需承受高压强。

研究人员给铀和氢气的混合物施加高达500万个大气压的压力,从而形成了前所未有的各种各样的铀氢化物。随着压力的逐渐加大,研究人员成功制备了14种全新的铀和氢的混合物,称为铀氢化物,其中一些是多相的,包括UH5,UH6,UH7,UH8,UH9,U2H13和U2H17等。

之前人们熟知的唯一氢化铀(UH3)是由铀在氢气中加热制得,可用于铀化合物的合成,曾在20世纪40年代的核实验中发挥了至关重要的作用。这项研究在铀的氢化物系列中添加了更多新成员。

研究结果表明,铀氢化物在高温超导性方面具有与非金属相同的潜力。研究人员表示,“我们的结果有两个亮点,高压会产生极其丰富的氢化物,其中大部分似乎“违背”了经典化学理论;这些氢化物实际上可以在极低压力下获得并成为超导体,甚至可能在大气压力下。这些成果不仅仅是学术上的,而且最终可能会解开高温超导的秘密。”

目前,这些新型氢化物的超导温度为-219摄氏度,该团队认为他们可以通过掺杂其他材料来提高超导温度,并有望进一步降低压力,使其更加适宜应用。当然,这并不意味着已经破解了超导的秘密,科学家的最终目标是更好地了解不同材料如何实现令人难以置信的超导能力,以构建理想的超导体。

参考文献:Uranium polyhydrides at moderate pressures: Prediction, synthesis, and expected superconductivity,Science Advances,Vol. 4, no. 10, eaat9776,DOI: 10.1126/sciadv.aat9776.

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