美国罗彻斯特大学的Ranga P. Dias等研究人员报道了氮掺杂的氢化镥的超导性研究实验数据，实现了室温和接近环境压力下的超导性。相关研究以“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”为题发表在《Nature》上。
Ranga P.Dias领导的研究团队表示，有了这种材料，环境超导和应用技术的曙光已经到来。在该篇论文中，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10kilobars (145,000磅/平方英寸，或psi)的压力下表现出超导性。
尽管145,000 psi看起来仍然非常高(海平面的压力约为15 psi)，但应变工程技术通常用于芯片制造，例如，将由内部化学压力更高的材料结合在一起。
该化合物是在高压高温条件下合成的，然后在完全恢复后，沿着压缩路径检测其材料和超导性能，包括有或无外加磁场的温度相关电阻、磁化（M）与磁场（H）曲线、交流和直流磁化率以及热容测量。X射线衍射（XRD）、能量色散X射线（EDX）和理论模拟为合成材料的化学计量提供了一些见解。然而，需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的精确化学计量以及它们各自的原子位置，以便进一步了解材料的超导状态。
图1:近环境压力下镥-氮-氢的超导性。
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。超导材料有两个关键特性:电阻消失，被排出的磁场在超导材料周围传递。这些材料可以使:
电网传输电力时不会损失高达2亿兆瓦时(MWh)的能量，现在由于电线中的电阻而发生；
无摩擦、悬浮的高速列车；
更具成本的医疗成像和扫描技术，如核磁共振成像和磁心学；
更快，更高效的电子数字逻辑和存储设备技术；
托卡马克机器，利用磁场限制等离子体，以实现核聚变，作为无限能量的来源。
图2:镥-氮-氢体系的温度依赖性和场依赖性电阻和V-I行为。
图3:磁化率。
超导性和超导性的“惊人视觉转变”
近年来，通过将稀土金属与氢结合，然后加入氮或碳，生成的氢化物为研究人员提供了一个制造超导材料的“研究配方”。在技术术语中，稀土金属氢化物形成了类似笼状的结构，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H2分子的解离。氮和碳有助于稳定材料。底线:超导电性发生所需的压力更小。
除了钇，研究人员还使用了其他稀土金属。然而，所产生的化合物在温度或压力下变得超导，这仍然不适合实际应用。
所以这一次，Dias在元素周期表的其他元素寻找。
Dias表示， 镥看起来是“一个很好的尝试对象。它的f轨道构型中有高度局域化的完全充满的14个电子，抑制了声子软化，并增强了在环境温度下发生超导所需的电子-声子耦合。“关键问题是，我们如何稳定它来降低所需的压力?这就是氮的由来。
Dias说，氮和碳一样，具有刚性的原子结构，可用于在材料中创建更稳定的笼状晶格，并使低频光学声子变硬。这种结构为在较低压力下发生超导性提供了稳定性。
Dias的团队创造了99%氢气和1%氮气的混合气体，将其与纯镥样品放在反应室中，让这些成分在392华氏度下反应两到三天。
论文称，由此产生的镥-氮-氢化合物最初是“有光泽的蓝色”。当化合物被压缩在一个钻石砧单元中时，发生了“惊人的视觉转变”:从超导开始时的蓝色到粉红色，然后变成明亮的红色非超导金属状态。
诱导超导所需的145,000 psi的压力比Dias实验室之前创造的低压低了近两个数量级。
预测新型超导材料的机器学习算法
Dias的实验室现在已经回答了超导材料是否可以在环境温度和足够低的压力下存在，以实现实际应用的问题。
Dias表示，通往超导消费电子产品、能源传输线路、交通和磁约束核聚变的重大改进的途径现在已经成为现实。他们相信现在处于现代超导时代。
例如，Dias预测，氮掺杂的氢化镥将大大加快开发托卡马克机器以实现聚变的进展。托卡马克不使用强大的、汇聚的激光束来使燃料球内爆，而是依靠由甜甜圈形状的外壳发出的强磁场来捕获、保持并点燃过热的等离子体。Dias说，NDLH在室温下产生“巨大的磁场”，对新兴技术来说“将是游戏规则的改变者”。
根据Dias的说法，特别令人兴奋的是，有可能用他实验室中积累的超导实验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，从数千种稀土金属、氮、氢和碳的可能组合中混合和匹配。
Dias说:“在日常生活中，我们有许多不同的金属用于不同的用途，因此我们也需要不同种类的超导材料。”“就像我们使用不同的金属用于不同的应用一样，我们需要更多的环境超导体用于不同的应用。”
图4:超导镥-氮-氢体系比热容测量。
图5:超导镥-氮-氢体系的XRD研究。
低温低压超导材料一直是百年来科学家在不断攀登的珠穆朗玛峰，其具有极大的潜在应用价值。相信在科学家的努力下，超导研究会取得越来越大的进步。
