隕石中竟藏著超導材料!室溫超導有希望了? ​​​​

2018年03月14日     檢舉

最近,來自加州大學聖地亞哥分校( UCSD )的凝聚態物理學家 Ivan Schuller 的研究團隊發現,隕石中有時會含有天然的超導物質。

這一發現雖然不會顛覆科學家對太陽系的認識,但為尋找到常溫超導體增加了更多的可能性樂觀的話,甚至可能帶動如磁懸浮列車材料等某些技術的突破。目前,該發現已在洛杉磯舉行的美國物理學會的3月會議上得以發布。

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對於該發現,正帶領團隊在陸地礦產資源中尋找天然超導體的馬里蘭大學凝聚態物理學家 Johnpierre Paglione 表示:「聽上去他們好像找到了一些東西並將其分離出來,這太棒了。」

圖丨墜落於澳大利亞的重達9980千克的隕石中含有少量的天然超導物質(來源:SYDNEY OATS/ WIKIMEDIA COMMONS CC BY 2.0)

傳統的超導體由簡單的金屬組成,如鈮、鉛或汞,這些金屬在冷卻到接近於絕對零度的特徵「臨界溫度」(對於汞是4.2K)以下時就會具有超導特性。

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在1986年,物理學家在一系列含銅化合物中發現,銅化合物在高達134 K(-139°C)的溫度下出現了超導現象,這一現象被稱為高溫超導,它的物理機制仍然是科學界中的一大謎團。而最近,研究人員又發現了一系列高溫鐵基超導體以及其他一些奇異的超導體。

不同於其他科學家嘗試通過原子尺度上設計物質的特性來合成出一些新型超導體的做法,Schuller的研究團隊另闢蹊徑,嘗試著從隕石出發,對現有材料進行篩選,來尋找出超導物質。

Schuller 打趣的說到:「既然老天已經提供給了隕石這一材料,我們為什麼不瞧瞧呢?「Schuller 表示,隕石是在地球上任何實驗室都無法達到的極端溫度和壓力條件下形成的。因此,它們可謂是尋找新奇化合物的淘金池。

超導性最可靠的跡象是當溫度降到臨界閾值以下時,電阻突然下降到零。不過除此之外,超導體也有著特殊的磁性,即邁斯納(Meissner)效應:當一個磁場強度不是很強磁體和一個處於超導態的超導體相互靠近時,磁體的磁場會使超導體表面中出現超導電流,此超導電流在超導體內部形成的磁場,恰好和磁體的外加磁場大小相等,方向相反,最終兩個磁場抵消,使超導體內部的磁感應強度為零,即超導體排斥體內的磁場。

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藉助邁斯納效應,科學家就可以尋找那些混合在異質物質(通常電阻不為零)中的零星超導體。

不過,一般的探測邁斯納效應的技術不夠靈敏,不足以尋找極少量的超導體。因此,Schuller的團隊進行了一些技術改進,從而有效地放大了信號。超導體在臨界溫度上下都會吸收微波,但在相變過程中其吸收效果會有所變化。

之前在會議上闡述研究發現的 UCSD 研究生James Wampler解釋到,當冷卻溫度低於超導體的臨界溫度時,微波吸收效果會發生顯著變化。為了尋找超導性物質,研究小組在微波輻射腔內放置了一個小樣本,並同時加入了一個強恆定磁場和一個小的振蕩磁場。當振蕩磁場使得材料產生和去除超導性時,信號會大大增強。Wampler 表示,與傳統的磁測量技術相比,這項技術大約將靈敏度提高了1000 倍。

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Schuller 表示,研究者們已經在上千種樣品上證實了此探測方法的有效性。現在,他們已經將其應用於探測 16 個不同隕石小樣本(從隕石表面上刮取所得)。Wampler在會上表示,他們在其中兩顆隕石的樣品中發現了存在超導物質的證據,這兩顆隕石分別是:1911年在澳大利亞內陸發現的9980公斤重的Mundrabilla鐵隕石和1995年在南極洲發現的碳質隕石Graves Nunataks。

一旦研究人員發現了確定的磁信號,他們就梳理出每個粉末樣品中的不同類型晶粒,並利用X射線光譜分析來鑑別出晶粒中的超導體。Wampler介紹到,Grave Nunataks隕石中的超導體是銦和錫的合金,Mundrabilla隕石中的超導體似乎是銦、錫的合金,可能還含有鉛。它們都是著名的超導體,臨界溫度在5K左右。

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儘管這些隕石中發現的超導體並不新奇,但該研究結果表明了超導性在宇宙中是普遍存在的。Wampler表示,如果超導材料存在於隕石上,那麼我們可以說它無處不在。他指出,宇宙中有許多地方的溫度比5K還要低,隕石產生的壓力和溫度超過地球上的實驗室條件,因此隕石中很有可能含有人類所不知道的超導化合物。

另外,Paglione也認為超導領域需要尋找新的材料。但大家似乎在尋找新材料的路上遇到了瓶頸。

而這次的研究或許可以給我們指出明燈,從隕石出發,興許能起到曲徑通幽之效。

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