在低温低压下创造的可行超导材料

在一项历史性成就中，罗切斯特大学的研究人员创造了一种温度和压力都足够低的超导材料，用于实际应用。

“有了这种材料，环境超导和应用技术的曙光已经到来，”由机械工程和物理学助理教授Ranga Dias领导的一个团队说。在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了一种氮掺杂的氢化镥(NDLH)，它在69华氏度(20.5摄氏度)和10千巴(145，000磅/平方英寸，或psi)的压力下表现出超导性。

尽管 145，000 psi 可能看起来仍然非常高(海平面压力约为 15 psi)，但例如，芯片制造中常规使用的应变工程技术将材料与内部化学压力结合在一起，甚至更高。

一个多世纪以来，科学家们一直在追求凝聚态物理学的这一突破。超导材料具有两个关键特性：电阻消失，排出的磁场通过超导材料周围。这些材料可以促进：

传输电力的电网，而不会损失高达200亿兆瓦时(MWh)的能量，现在由于电线中的电阻而发生

无摩擦悬浮高速列车

更实惠的医学成像和扫描技术，如 MRI 和心磁图

用于数字逻辑和存储设备技术的更快、更高效的电子器件

托卡马克机器使用磁场来限制等离子体，以实现聚变作为无限动力的来源

此前，Dias团队在《自然》和《物理评论快报》的论文中报告了两种材料 - 碳质氢化硫和钇超氢化物 - 分别在58华氏度/ 39万psi和12华氏度/ 26万psi下超导。

鉴于这一新发现的重要性，迪亚斯和他的团队不遗余力地记录他们的研究，并阻止了在上一篇《自然》论文之后出现的批评，这导致了该杂志编辑的撤回。

迪亚斯说，之前的论文已经重新提交给《自然》杂志，并提供了新的数据，验证了早期的工作。新数据是在实验室外的阿贡和布鲁克海文国家实验室收集的，在现场观看超导转变的科学家面前。新论文也采取了类似的方法。

Dias实验室的五名研究生Nathan Dasenbrock-Gammon，Elliot Snider，Raymond McBride，Hiranya Pasan和Dylan Durkee被列为共同主要作者。“小组中的每个人都参与了实验，”迪亚斯说。“这确实是集体努力。

超导及其他领域的“惊人的视觉转换”

近年来，通过将稀土金属与氢结合，然后添加氮或碳而制成的氢化物为研究人员提供了制造超导材料的诱人的“工作配方”。在技术术语中，稀土金属氢化物形成包合物状笼状结构，其中稀土金属离子充当载流子供体，提供足够的电子来增强H的解离。2分子。氮和碳有助于稳定材料。底线：发生超导所需的压力较小。

除钇外，研究人员还使用了其他稀土金属。然而，所得化合物在仍然不实用的温度或压力下变得超导。

所以，这一次，迪亚斯看向了元素周期表的其他地方。

镥看起来像“一个很好的尝试者，”迪亚斯说。它在其f轨道配置中具有高度局部的完全填充的14个电子，可抑制声子软化，并增强在环境温度下发生超导性所需的电子 - 声子耦合。“关键问题是，我们将如何稳定这种情况以降低所需的压力?这就是氮气出现的地方。

根据Dias的说法，氮和碳一样，具有刚性的原子结构，可用于在材料内创建更稳定的笼状晶格，并使低频光学声子硬化。这种结构为超导性在较低压力下发生提供了稳定性。

迪亚斯的团队创造了一种99%氢气和1%氮气的气体混合物，将其放入装有纯镥样品的反应室中，让组分在392华氏度下反应两到三天。

由此产生的镥 - 氮 - 氢化合物最初是“有光泽的蓝色”，该论文指出。当化合物在金刚石砧单元中被压缩时，发生了“惊人的视觉转变”：在超导开始时从蓝色到粉红色，然后变成鲜红色的非超导金属状态。

“这是一种非常鲜艳的红色，”迪亚斯说。“看到这种强度的颜色，我感到震惊。我们幽默地为这种状态下的材料建议了一个代号——'reddmatter'——以斯波克在2009年流行的《星际迷航》电影中创造的材料命名。代号卡住了。

诱导超导所需的145，000 psi压力比Dias实验室先前产生的低压低近两个数量级。

用于预测新超导材料的机器学习算法

迪亚斯的实验室现在已经回答了超导材料是否可以在足够低的环境温度和压力下存在以用于实际应用的问题。

“通往超导消费电子产品、能量传输线、运输以及聚变磁约束的重大改进的途径现在已成为现实，”迪亚斯说。“我们相信我们现在正处于现代超导时代。

例如，迪亚斯预测，氮掺杂的氢化镥将大大加快托卡马克机器的开发进度，以实现聚变。托卡马克不是使用强大的会聚激光束来内爆燃料颗粒，而是依靠甜甜圈形外壳发出的强磁场来捕获、保持和点燃过热的等离子体。迪亚斯说，NDLH在室温下产生“巨大的磁场”，将成为新兴技术的“游戏规则改变者”。

根据Dias的说法，特别令人兴奋的是，他可以利用实验室超导实验积累的数据来训练机器学习算法，以预测其他可能的超导材料 - 实际上，从数千种可能的稀土金属，氮，氢和碳的组合中进行混合和匹配。

“在日常生活中，我们有许多不同的金属用于不同的应用，所以我们也需要不同种类的超导材料，”迪亚斯说。“就像我们在不同的应用中使用不同的金属一样，我们需要更多的环境超导体用于不同的应用。

共同作者Keith Lawlor已经开始开发算法，并使用罗切斯特大学综合研究计算中心提供的超级计算资源进行计算。

纽约州北部的超导材料中心?

迪亚斯的研究小组最近搬进了位于河校区霍普曼大厅三楼的一个新的扩建实验室。他说，这是在罗切斯特大学启动学位授予超导创新中心(CSI)的雄心勃勃的计划的第一步。

该中心将创建一个生态系统，吸引更多的教师和科学家到大学推进超导科学。训练有素的学生将扩大该领域的研究人员库。

“我们希望使纽约州北部成为超导技术中心，”迪亚斯说。