罗切斯特大学：创造了一种室温的超导材料，应用前景巨大！

罗切斯特大学的研究人员创造了一种温度和压力都足够低的超导材料，这是一项历史性的成就。机械工程和物理学助理教授Ranga Dias领导的团队表示：“有了这种材料，环境超导和应用技术的曙光已经到来”。在《自然》杂志的一篇论文中，研究人员描述了一种氮掺杂的氢化镥（NDLH），它在69华氏度（20.5摄氏度）和10千巴（145000磅/平方英寸，或psi）压力下表现出超导性。#室温超导#

尽管145000磅/平方英寸（海平面压力约为15磅/平方英尺）似乎仍然非常高，但例如，芯片制造中常规使用的应变工程技术包含了由更高的内部化学压力保持在一起的材料。

一个多世纪以来，科学家们一直在追求凝聚态物理学的这一突破。超导材料有两个关键的财产：电阻消失，被排出的磁场通过超导材料。此类材料可实现：

• 传输电力的电网不会因电线电阻而损失高达2亿兆瓦时（MWh）的能量
• 无摩擦悬浮高速列车
• 更实惠的医学成像和扫描技术，如MRI和心磁图
• 用于数字逻辑和存储设备技术的更快、更高效的电子设备
• 使用磁场限制等离子体以实现聚变的托卡马克机器，作为无限能量的来源

此前，迪亚斯团队在《自然》和《物理评论快报》的论文中报道了两种材料碳质硫氢化物和钇超氢化物，它们分别在58华氏度/3900万磅/平方英寸和12华氏度/2600万磅/英寸2下超导。

鉴于这一新发现的重要性，迪亚斯和他的团队花了不同寻常的时间记录了他们的研究，并阻止了《自然》杂志上一篇论文引发的批评，这篇论文导致了该杂志编辑的撤回。

迪亚斯说，先前的论文已重新提交给《自然》杂志，并附有新的数据，证实了先前的工作。新数据是在实验室外收集的，在阿贡和布鲁克黑文国家实验室，在现场观看超导跃迁的科学家面前。新论文也采用了类似的方法。

迪亚斯实验室的五名研究生内森·达森布罗克·甘蒙（Nathan Dasenbrock Gammon）、埃利奥特·斯奈德（Elliot Snider）、雷蒙德·麦克布莱德（Raymond Mc Bride）、海兰娅·帕桑（Hiranya Pasan）和迪伦·杜基（Dylan Durkee）被列为共同主笔。迪亚斯说：“小组中的每个人都参与了实验。”。“这确实是一次集体努力。”

超导及其后的“令人震惊的视觉转变”

近年来，通过将稀土金属与氢结合，然后添加氮或碳而产生的氢化物为研究人员创造超导材料提供了诱人的“工作配方”。在技术术语中，稀土金属氢化物形成笼状结构，其中稀土金属离子充当载流子供体，提供足够的电子，以增强H2分子的解离。氮和碳有助于稳定材料。一句话：实现超导所需的压力较小。

除了钇，研究人员还使用了其他稀土金属。然而，得到的化合物在温度或压力下变得超导，而这些温度或压力对于应用来说仍然不实用。

所以，这一次，迪亚斯沿着周期表寻找了其他地方。迪亚斯说，卢特提姆看起来是“一个很好的人选”。它在其f轨道构型中具有高度局域化的完全填充的14个电子，这抑制了声子软化，并增强了在环境温度下发生超导所需的电子-声子耦合。“关键问题是，我们如何稳定压力以降低所需压力？这就是氮的来源。”

迪亚斯表示，氮和碳一样，具有刚性的原子结构，可以用来在材料中形成更稳定的笼状晶格，并硬化低频光学声子。这种结构为在较低压力下发生超导提供了稳定性。

迪亚斯的团队创造了一种99%氢气和1%氮气的气体混合物，将其与纯镥样品一起放置在反应室中，让这些成分在392华氏度下反应两到三天。

论文称，由此产生的镥氮氢化合物最初是一种“有光泽的蓝色”。当该化合物随后在金刚石砧座电池中被压缩时，发生了“惊人的视觉转变”：从超导开始时的蓝色变成粉色，然后变成亮红色的非超导金属状态。

迪亚斯说：“那是一个非常明亮的红色。”。“看到如此强烈的色彩，我很震惊。我们幽默地为这种状态下的材料取了一个代号——‘ddmatter’，这是根据斯波克在2009年热门的《星际迷航》电影中创作的一个材料。”。

诱导超导所需的145000磅/平方英寸的压力比迪亚斯实验室之前的低压低了近两个数量级。

预测新型超导材料的机器学习算法

迪亚斯的实验室现在已经回答了超导材料能否在足够低的环境温度和压力下存在的问题。

迪亚斯说：“通向超导消费电子产品、能量传输线、交通运输以及聚变磁约束的显著改进的途径现在已经成为现实。”。“我们相信我们现在正处于现代超导时代。”

例如，迪亚斯预测，氮掺杂的氢化镥将大大加快托卡马克机器的发展，以实现聚变。托卡马克不是使用强大的、会聚的激光束来内爆燃料芯块，而是依靠环形外壳发射的强磁场来捕获、保持和点燃过热等离子体。迪亚斯表示，在室温下产生“巨大磁场”的NDLH将“改变游戏规则”。

迪亚斯表示，特别令人兴奋的是，利用实验室中超导实验的累积数据训练机器学习算法，以预测其他可能的超导材料，混合和匹配数千种稀土金属、氮、氢和碳的可能组合。

迪亚斯说：“在日常生活中，我们有许多不同的金属用于不同的应用，因此我们也需要不同种类的超导材料。”。“就像我们在不同的应用中使用不同的金属一样，我们在不同应用中需要更多的环境超导体。”

联合作者Keith Lawlor已经开始开发算法，并使用罗切斯特大学综合研究计算中心提供的超级计算资源进行计算。