超導體是一種允許電流無阻力流動的材料。這種獨特的能力使它們對於高效能源傳輸等技術特別有價值。儲能磁懸浮系統和量子計算機
挑戰在於超導性僅在非常低的溫度下發生。這比日常條件要低得多。這種限制阻礙了廣泛的實際使用。隨著富氫材料超導性的發現，這種情況開始改變。硫化氫（H3S) 在 203 開爾文 (-70°C) 時成為超導，而十氫化鑭 (LaH10) 在 250 開爾文 (-23°C) 時成為超導。這些溫度比以前的超導體高得多，並且遠高於液氮的沸點。這就是為什麼科學家將其歸類為高溫超導體。他們的發現標誌著朝著室溫超導的長期目標邁出了重要一步。
超導間隙及其重要性
超導性的核心是一種稱為超導能隙的特性。這一特性揭示了電子如何結合形成超導態。它是超導體區別於普通金屬的獨特標誌。
了解超導能隙很重要，因為它直接反映了電子在材料內如何相互作用。如果不測量這個間隙，科學家就無法完全解釋為什麼該材料會變得超導，或者是什麼機制導致其電阻消失。
為什麼氫超導性難以測量？
儘管它很重要但是富氫超導體如H3S 學習有很多挑戰。這些材料只能在超過大氣壓一百萬倍的巨大壓力下才能產生。由於這些惡劣的條件，因此無法使用廣泛使用的技術，例如掃描隧道光譜和角分辨發射光譜。
因此，這些材料中的超導間隙仍然無法測量。這使得科學家們對高溫超導如何在富氫化合物中發揮作用的理解存在重大差距。
新的隧道掘進技術可以摧毀障礙物
為了解決這個問題，美因茨馬克斯·普朗克研究所的研究人員開發了一種平面電子隧道光譜方法，可以在這些極端壓力下工作。新方法使得探測H中的超導能隙成為可能3第一次S
通過這項技術，研究小組獲得了富氫材料中超導狀態的清晰圖像。它克服了多年來限制該領域進展的障礙。
寺廟揭示了什麼
研究人員發現，H3S 具有約 60 毫電子伏 (meV) 的完全開放的超導能隙。他們還研究了它的氘夥伴 D.3S，其能隙較小，約為 44 meV。氘是一種氫同位素，並且還有一個中子。
這種差異很重要，因為它證實了 H 中的超導性。3S 由電子和聲子之間的相互作用驅動。聲子是材料原子晶格的量子化振動。這一結果支持了長期以來關於富氫化合物超導性背後機制的理論預測。
為什麼這一進展很重要？
對於美因茨的研究人員來說，成功不僅僅是技術上的成功。它為揭示含氫材料高溫超導的根本起源奠定了基礎。 “我們希望將這種隧道技術擴展到其他氫化物超導體。將有可能確定在較高溫度下導致超導性的關鍵因素。這最終將允許開發出能夠在更有利的條件下發揮作用的新材料，”現已發表的研究的第一作者馮杜博士說。
2024 年 11 月去世的高壓超導研究領軍人物 Mikhail Eremets 博士將這項研究描述為“自發現氫超導以來，氫化物超導領域最重要的工作”。3馬克斯·普朗克化學研究所高壓化學和物理項目負責人 Vasily Minkov 補充道：“2015 年，我們將實現超導體在室溫和中等壓力下工作的願景，通過這項工作，邁克爾關於超導體在室溫和中等壓力下工作的願景離現實又近了一步。”
超導簡史
超導性是指某些材料在沒有電阻的情況下傳導電流的能力。 1911 年，Heike Kamerlingh Onnes 首次在純汞中發現了它。幾十年來，科學家們認為這種現像只能在接近絕對零（-273°C）的溫度下發生。
這種假設在 20 世紀 80 年代末發生了變化，當時 Georg Bednorz 和 Karl Alexander Müller 發現了氧化銅超導性。也稱為銅酸鹽。在正常大氣壓下的高溫下具有超導特性這一發現引發了世界各地的研究工作。
隨著時間的推移，科學家已經達到了臨界溫度（時間C) 在大氣壓下約為 133 K，在高壓下約為 164 K。直到富含氫的化合物出現之前，進展陷入停滯。
富氫材料突破界限
H中超導性的發現3S 在兆巴壓力下，具有 時間C 由 Mikhail Eremets 博士領導的研究小組提出的 = 203 K 被認為是一個轉折點。不久之後，在富氫金屬氫化物中也發現了更高的臨界溫度，例如YH9（時間C 數據 244 K) 和 LaH10 (時間C ➤ 250 凱爾)
目前的理論模型表明，在許多含氫系統中，當受到極壓時，可能會出現高於室溫的超導性。
庫珀對和超導能隙的意義
在普通金屬中，費米能級附近的電子可以自由移動。費米能級代表電子在固體中可以擁有的絕對為零的最高能級。當材料變得超導時，電子形成一對稱為庫珀對的狀態，並進入組合量子態。
在這種狀態下，成對電子一起移動，而不會散射晶格中的聲子或雜質。這消除了電阻這種耦合產生了接近費米能級的能隙。這就是所謂的超導間隙。該間隙代表打破庫珀對所需的最小能量，並通過穩定超導體免受干擾來發揮保護作用。
超導能隙是定義超導性的特徵。它的大小和對稱性為電子如何相互作用和配對提供了重要的見解。這使其成為潛在超導機制的重要指紋。
