物理學家做出不可能的事,在非超導體材料中實現了超導性!

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 哇!

有史以來第一次,研究人員在非超導體材料實現了超導性,這是一種零電阻的導電性現象。

新技術展示了一個在1970年代首次被提出、但直到現在還沒有被證明的概念。它可以導致做出現有超導體的方法,就像是用在MRI機器的方法,或是用在磁浮列車中,在更高溫之下更便宜和更有效率的方法。

來自休斯頓大學(University of Houston)的首席研究員朱經武(Paul C. W. Chu)說:「超導被用在許多地方,其中核磁共振造影(magnetic resonance imaging,MRI)可能是最為大家所知道的。」

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但如果超導材料更具商業可行性的話,那麼它將徹底改變其他行業的整體範圍。超導體不僅可以被用來建造超快速、無摩擦的運輸系統,就像是磁浮列車超迴路列車(Hyperloop),它們也可以使我們整個電網的效率更高。

現在我們所使用的電線,會讓電力從發電廠傳輸到我們家的途中損失高達10%;但超導體根本不會損失任何電力。因此,公用事業公司可以提供更多的電力給我們,而不需要再產生任何電力。

阻礙這一切應用的是,商業用的超導體材料需要被冷卻到大約攝氏-269.1度,以便實現零電阻,這是相當昂貴和能量密集的。

即使仍然在實驗室裡測試結果最好的超導體,也無法在攝氏-70度以上出現超導性。研究人員正在努力把這個所謂的臨界溫度(或Tcs)接近室溫。

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幾十年來,科學家認為提升超導溫度的更好方法是,找到一種能在非超導材料中誘導出超導性的方法。

這個想法是,如果研究人員能夠找出一種方法來讓普通材料產生超導,它將開啟新的方法讓超導材料在更高的溫度下運作。

現在,藉由在材料的兩個相位的相遇點(稱為界面)誘導出超導性,休斯頓大學的研究小組已經邁出了第一步。

他們在一種非超導材料鈣鐵砷化合物(CaFe2As2),實現了這一點。

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研究人員寫道:「長久以來提出提升Tcs的一種方法,是利用人工或自然組成的界面。」

「目前的研究清楚地展示,眾所皆知的非超導鈣鐵砷化合物,它的高Tcs可以藉由反鐵磁性(antiferromagnetic)/金屬層堆疊(metallic layter stacking)來誘導,並且對於在這個化合物界面提升的Tcs,提供迄今最直接的證據。」

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那麼它是如何運作的呢?超導性可以在兩種不同材料聚集在一起的界面處被誘導、或甚至被提升的想法,是在1970年代首次提出

但是,雖然許多研究小組試圖證明它的工作原理,過去達到超導的實驗,無法排除應力作用或是化學物摻雜不會混亂實驗結果。所以實驗的效力從來沒有被驗證,直到現在。

為了驗證發生了什麼事,休斯頓研究人員在環境壓力下工作,並使用純淨的鈣鐵砷化物。

然後他們把材料加熱到攝氏350度,以達到所謂的退火(annealing)過程。這個過程是材料在加熱後緩慢地冷卻。

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由於它不均勻地冷卻,這個過程在鈣鐵砷化物中造成兩個不同的相。

雖然這兩個相都不是超導,但研究小組能夠在這兩個相的共存點偵測出超導性,證明這個界面假說是真的。

鈣鐵砷化合物大約在凱氏25度出現超導性,這大約是攝氏-248.15度。因此,它仍然無法用於工業。

但下一步將是使用這個相同的過程,來找到使現有的高溫超導體在這些界面處更有效率的方法。

在這種技術商業化之前還有很長的路要走,但在朝向開發未來更廉價和更好的超導材料,它是很有希望的一步。

來發展那些懸浮列車吧。

這項研究已經在美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)發表

來源:ScienceAlert