室温超导新突破:碳基超导体的临界温度更高了!

发布时间:2020-06-13

众所周知,在一般材料导电过程中会消耗大量能量,而超导体在传输过程中则几乎没有能量耗损,还能在每平方厘米上承载更强的电流。目前,超导材料只有在低温环境下才会具有超导性。寻找在低压、高温下实现材料超导性的方法并将其用于生活中,可谓是应用物理界的重大使命没有之一。

这次,北卡罗来纳州立大学(University of North Carolina,NC State University)的研究人员使用一种新型掺硼Q-碳材料(boron-doped Q-carbon),显着提高了碳基材料的超导临界温度。

之前,掺硼金刚石作为超导体的最高温度为11K ( 约-262.15C°),而现在这种新型掺硼Q-碳材料则在35K~57K(约-238.15~-215.6C°)区间内具有超导性,比原有的记录高了46K。北卡罗来纳大学材料科学与工程学教授, Jay C. Narayan说:“把温度上限从11K提到57K是传统BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer超导理论)超导性的一大突破。”

在这里向大家普及一下基本的超导工作原理——BCS理论。顾名思义,该理论是由Bardeen、Cooper、Schrieffer这三个人提出的。他们认为,在低温低能的条件下,金属中的自旋相反的电子会两两结成“库珀对”,这些库珀对的能量高于低温晶格中原子振动的能量,因此不与周围发生能量交换,所以不会产生电阻。

最早的超导体是于1911年在4.2K的温度下发现的汞,然后主要为20世纪八十年代发现的铜氧超导体,也就是铜和氧加上其他稀土元素的化合物。再者,就是2008年发现的铁基超导体;这些以元素分类的超导“家族”在内部都有着相似的性质,主要因为基于某种原子形成的晶格震荡能量低,更适合库珀对的运动。

在制造掺硼Q-碳材料的过程中,研究人员先用无定形碳(非晶碳,amorphous carbon)和硼(boron)的混合物涂覆基底,然后再将基底暴露在单个激光脉冲长达几纳秒(nanoseconds)的持续轰击中。在激光照射期间,碳的温度会先升至约4000开尔文,然后快速冷却。

Jay C. Narayan说: “通过把硼掺入Q-碳中,我们消除了材料的铁磁性,并赋予了它超导性。 到目前为止,每当我们增加硼在材料中所占的比例时,材料就能在更高的温度下保持其超导性 。相比掺硼金刚石,这个过程增加了接近费米能级时载荷子的密度。

相比以前的方法,该制造方法能使掺硼碳具有更高的硼浓度,这一数值远高于使用现有平衡法(equilibrium methods, 如化学气相沉积)可能产生的硼浓度——如果使用平衡法,硼在掺硼Q-碳中的浓度仅为2%原子百分比,即 每100个原子中只有两个硼原子。但使用这种基于激光的非平衡法将硼掺入碳中,我们可以获得高达27%原子百分比的硼浓度。

硼在材料中的浓度越高,材料就能在更高的温度下具有超导性。目前,美国的橡树岭国家实验室已经使用电子能量损失谱证实了有关高密度超导态的发现。

目前,研究人员们计划通过优化材料来提高材料超导的温度上限。Q-碳能在更高温度下保持超导性的这一突破在科学上令人兴奋,这意味着我们可能会实现使新型强粘结轻质材料在室温下具有超导性。此外,Q-碳因它具有透明、坚硬、生物相容和耐腐蚀的性质,其超导性对实际应用也具有特殊的意义.

研究人员们已有与超导体相配套的封闭循环氦制冷系统,能实现低至10K(约-263.15C°)的环境温度。而掺硼Q-碳材料可在21K (-252.15C°)的环境中,两个特斯拉的磁场强度下,承载密度高达4300万安培的每平方厘米的电流。并且,由于他们们已使掺硼Q-碳在57K(约-216.15C°)下保持超导性,掺硼 Q-碳材料已可被用于实际应用。”

该论文A Novel High-Temperature Carbon-Based Superconductor: B-Doped Q-Carbon,”发表在《应用物理》杂志上。