更紧密分布的氢原子,可促进常温常压下超导

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假如常温超导材料有朝一日终于问世,将在工业领域彻底改变能源效率。最近美国橡树岭国家实验室(ORNL)科学家发现,金属氢化物材料中的氢原子排列比模型预测得还要紧密,这种特征可能是促进常温超导现象的关键。

超导体是指在特定温度下呈现电阻为零的导体,可形成极强大的磁场,能产生不少革命性应用,比如时速超过公里的磁浮列车、超导量子干涉仪(已有实际应用,如:MRI)、粒子加速器、超导输电线路等。

百年前,科学家在极低温度(4.2K)下首度发现材料具有超导特性,如今科学研究已进展到高温超导体,目前已知最高温的超导体材料是超氢化镧,在GPa压力、零下23℃(K)时会出现超导特性。

一个超导材料的温度越接近室温,商业化成功几率也越大,然而上述超氢化镧最可惜的是仍需要施加极高压力,离普及应用还有段距离。几十年来,材料科学家的“圣杯”就是寻找能在室温与常压下出现超导特性的材料,更崇大的目标是自廉价、性质稳定的金属中发现。

最近,美国橡树岭国家实验室团队进行了中子散射实验,研究在大气压力下、温度介于5~K的钒锆氢化物样本,发现金属氢化物中氢原子的排列比过去模型预测得还要紧密,这可能是促进常温常压超导体的关键。

见首图原子结构,钒原子(金色)与锆原子(白色)包围住中间的氢原子(红色),氢与氢之间的距离短至1.6,如此能让更多氢填充至材料中从而促进超导。已知金属中所含的氢会影响其电子性能,因此原子间的排列结构非常重要,过去已发现具有类似氢原子排列的其他材料具有超导特性,但仅能在极高压力下出现。

接下来的实验中,研究人员准备于钒锆氢化物内添加更多氢,以评估该材料的电导率,也许能再度突破高温超导体的记录。新论文发布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

(首图来源:橡树岭国家实验室)



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