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中國科學家發現防曬霜中的有機分子,-150度低溫下現超導特性

中國科學家近日發現, 一種用於製造防曬霜的有機分子在零下150攝氏度進入超導狀態, 不過結果本身還需要進一步驗證。

2015年, 一個德國科研團隊發現, 硫化氫在零下70攝氏度(203開爾文)會進入超導態, 這是目前記錄到的, 能獲得超導態的最高溫度。 然而, 沒人能確定硫化氫超導現象的背後機理, 只有人提出了一些可能的假說。

近日, 有機分子超導領域再傳新突破:一種通常用於防曬霜的有機分子, 在零下150攝氏度(123開爾文)和常壓條件下, 呈現超導態。 這個溫度相較於之前的有機分子超導臨界溫度記錄高了將近100攝氏度,

並與陶瓷材料的最高超導臨界溫度相仿。

如果這個發現被最終確認, 那麼有機分子超導將成為研究熱點, 科學家會試圖製造出超導臨界溫度更高的材料。 不過, 在機理層面, 該材料的超導特性仍有待探究——目前還沒有理論能令人信服地解釋, 為什麼這種分子會在這麼高的溫度下呈現超導特性。

金屬超導材料的超導臨界溫度一般不會高於零下243攝氏度(30開爾文)。 在低溫下, 金屬晶格中的電子會形成庫伯對, 並通過相干振動相互作用。 當溫度足夠低時, 根據超導理論, 相干振動能夠讓電子庫伯對在金屬晶格之間無阻運動, 呈現超導現象。 超導態很難維持, 只要溫度比臨界溫度稍高, 超導態就會被破壞, 電阻將急劇增加。

此外, 所有超導體的共性之一是抗磁性, 這種特性稱為邁斯納效應。 新發現的任何材料, 都必須體現出抗磁性, 才能被科學界正式承認為超導材料。

另外一個超導材料判斷標準是同位素效應。 由於超導現象依賴於晶格共振, 因此對晶格中原子核的品質非常敏感。

如果通過同位素核替換的辦法, 改變晶格中原子的品質, 那麼該材料的超導臨界溫度應該會發生改變。

目前為止, 物理學家普遍認為:一種材料必須同時具備電導率相變、抗磁性和同位素效應三個特徵, 才能被確認為超導材料。

新近發現的超導有機分子, 是一種被稱為對聯三苯的芳香烴類化合物。 這種物質一般用於染料雷射器以及製作防曬霜。 近日, 上海高壓先進科研中心的陳曉嘉研究員和湖北大學高雲教授、黃忠兵教授和王仁樹等聯合宣佈, 他們通過在對聯三苯中摻雜鉀的方法, 讓該材料在零下130度(143開爾文)呈現了超導態。

他們用的方法相對簡單。 在高真空中, 他們向對聯三苯中摻入鉀,

比例為3:1。 然後, 混合物被放入石英管, 在260攝氏度下加熱7天。 最後, 他們在零下272攝氏度到27攝氏度(1-300開爾文)的範圍內, 測試了該材料的導電性和磁性。

研究團隊表示:該材料在的磁性在零下150攝氏度(123開爾文)出現突變, 且變化曲線符合邁納斯效應的預期, 因此可以初步判定出現了超導態。

雖然有了“初步判定”, 但這並不能代表最終結論。 研究團隊並沒有在論文中表明, 該材料在臨界溫度附近, 1)是否觀測到了電導率的相變;2)是否存在同位素效應。

沒有報導這些關鍵資訊, 到底是因為科研團隊沒有觀測到這些現象, 還是其他什麼原因, 目前尚不清楚。 在超導研究歷程中, 不止一次出現過“高溫超導材料”事後被證明無法複現。

因此對於該結果目前還需要謹慎。

一個更需解決的問題是, 如果對聯三苯真的出現了超導特性, 背後的機理是什麼?研究團隊只有一個試驗性的解釋和一些相關證據。

科學家們對聚合物超導特性的瞭解還很少——人類在21世紀初才發現這種現象。 其中一種超導機理假說認為, 電子在有機分子間運動時, 與它自身的振動產生了相互作用。 這樣的電子被稱為極化子, 而極化子穿過分子的方式決定了其導電性。 一些分子中的極化子, 可以配對形成雙極化子。

這就是中國研究團隊給出的解釋——在對聯三苯中摻入鉀之後, 產生了雙極化子。 當溫度降低, 雙極化子以類似于庫伯對的方式, 進行了無電阻運動。 團隊還稱, 拉曼散射的實驗結果提供了一些相關證據。

這個假說本身是非常有意義的。如果雙極化子確實是有機材料導電的原因,那麼對聯三苯應該不是唯一的——其他有機材料也可以,甚至在更高的溫度體現出超導性。

然而,目前最重要的工作是重複試驗,以確定該論文的成果。不過有一件事是肯定的——對聯三苯將成為最近一段時期的材料學研究熱點。

這個假說本身是非常有意義的。如果雙極化子確實是有機材料導電的原因,那麼對聯三苯應該不是唯一的——其他有機材料也可以,甚至在更高的溫度體現出超導性。

然而,目前最重要的工作是重複試驗,以確定該論文的成果。不過有一件事是肯定的——對聯三苯將成為最近一段時期的材料學研究熱點。

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