大力出奇蹟 重壓出超導

超導是超導電性的簡稱，指的是某些材料在降溫到某一特定溫度以下時，電阻突然消失為零的現象，此類材料被稱作超導體。1911年荷蘭科學家卡默林-昂內斯意外發現：當溫度降至4.2 K附近時，汞的電阻突然下降到儀器測量不到的最小值，在測量誤差範圍內基本可認為是零電阻。除了零電阻，超導體的另一個本徵屬性是完全抗磁性，又稱作邁斯納效應，即磁力線幾乎無法穿透到超導體的內部。

經過一百多年的發展，目前已發現的超導家族成員主要包括：金屬和合金超導體、銅氧化物超導體、重費米子超導體、有機超導體、鐵基超導材料。

超導態的零電阻和完全抗磁性兩個本徵屬性蘊含著豐富的應用前景，主要包括：

超導輸電：超導體的零電阻意味著可以通過較大的電流而無焦耳熱的產生。採用超導電纜進行遠距離輸電，可大大降低輸電過程的損失。

超導電纜

超導磁體:如果給閉合超導線圈通上電流，就可以維持較強的穩恆磁場，這便是超導磁體。和常規穩恆磁體相比，超導磁體具有體積小、穩定度高、耗能少等多種優勢。正因如此，在生物學研究和臨床醫學上採用的高分辨核磁共振成像技術大都是採用超導磁體。

核磁共振成像儀

超導磁懸浮：將超導體置於磁場中時，磁力線會緊緊的包圍在超導磁體周圍，並將超導磁體「固定」在一定的範圍之內，進而達到了懸浮的效果。超導磁懸浮列車即是利用這一原理。

超導磁懸浮列車示意圖

二硫化鉬，屬於過渡金屬二硫屬化物大家庭的一員，具有和石墨類似的層狀結構，是一種廣泛應用的固體潤滑劑和催化劑，同時又是一種半導體。和單層石墨（石墨烯）相比，單層二硫化鉬由於其獨特的能帶結構，在納米光電器件方面有廣泛的應用，多種基於單層二硫化鉬的光電元器件已經被開發出來。

二硫化鉬的晶體結構示意圖

如果不經任何物理或化學手段處理，二硫化鉬不是超導體。目前，將其轉變成超導體的手段主要是層間插入法和電場調控。前者是將鹼金屬原子或過渡金屬原子插入到二硫化鉬層與層之間的間隙，電子從金屬原子轉移並填充到二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導體；後者是在二硫化鉬表面滴一滴導電離子液體，通過施加偏壓電場調控電子填充二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導體。這兩種手段的不足之處在於：前者易造成化學成分不均勻；後者工藝比較繁瑣，而且僅表面的薄層區域變成超導體。

相較於上述兩種手段，高壓手段由於具有乾淨高效的優勢，在發現新超導體方面扮演著重要的角色。

基於單層二硫化鉬的場效應晶體管示意圖

高壓，可以理解為高於一個大氣壓的壓強，元素周期表中大多數元素在高壓下都是超導體，包括自然界最簡單的元素氫和我們每天吸入的氧。2015年，德國科學家發現具有臭雞蛋氣味的硫化氫在高壓下也是超導體，臨界溫度在零下70度左右，接近地球表面極寒地區的溫度。

實驗室生成高壓是利用一種被稱作金剛石對頂砧的攜帶型裝置，其核心部分是一對經過切割打磨的金剛石，金剛石具有自然界最高的硬度和斷裂韌性，而且對電磁波具有很好的透過率。實驗中，科研人員通過外力驅動兩顆金剛石互相擠壓產生高壓。根據壓強計算公式「P（壓強）=F（力）/S（面積）」，金剛石工作檯面的直徑越小，產生的壓強就越高。目前實驗室產生的壓強記錄超過了500萬大氣壓。

金剛石對頂砧示意圖

近日，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所與強磁場科學中心聯合科研團隊在超高壓下觀測到了二硫化鉬的超導行為，研究人員在自主搭建的高壓綜合測試平台上，利用金剛石對頂砧產生的超高壓條件，通過測量低溫電阻發現：二硫化鉬在90 GPa（90萬大氣壓）左右的壓強下開始變成超導體，在更高的壓強下，超導轉變臨界溫度可高達12 K。相關研究成果被選為編輯推薦文章刊登在國際物理類頂尖期刊《物理評論快報》上。

光學顯微鏡下金剛石對頂砧中二硫化鉬樣品和鉑電極的標準四引線布局圖

二硫化鉬是第一個在超高壓下轉變成超導體的過渡金屬二硫屬化物家族半導體成員，超高壓電阻測量技術的成功運用表明我國科學家已經掌握了這項核心技術。硫化氫在超高壓下的超導轉變溫度（零下70度）是目前最接近室溫超導的記錄，我們將利用掌握的超高壓實驗測量技術在探索新超導體甚至室溫超導體方面開展更多的研究工作。

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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