科學家設計出超導氫金屬合金材料

美國卡內基研究所的科學家25日表示，他們設計出了3種高密度的氫與金屬合金材料的計算機模型，并發現在一定的壓力和溫度下，這些合金出現了超導性。他們的研究成果為人們利用世界上含量豐富的氫元素提供了新途徑。相關報告發表在美國《國家科學院學報》網絡版上。

　　長期以來，物理學家一直在試圖了解能否將地球含量豐富的氫元素轉變成金屬，甚至成為超導體。他們推測，在適當的壓力和溫度條件下，氫能夠與金屬結合成為氫金屬合金材料。然而，這在實驗中是難以實現的。
　　所謂超導現象，指當物質被冷卻到一定的溫度時電阻突然消失的現象。原則上，所有已知的材料都能夠被冷卻到非常低的溫度，或者說是轉變溫度而成為超導體，但由于發生轉變的臨界溫度非常低，因而限制了超導物質的廣泛應用。科學家經過研究發現，通過額外的化學處理，可以提高材料的轉變溫度，實現高溫超導。現在，科學家常常利用理論模型來了解提高材料轉變溫度的特征和壓力。在此項實驗中，科學家們在特定的溫度、壓力和化合物成分等條件下，對3種金屬氫化物在原子水平上的行為進行了模擬研究。
　　這3種化合物分別是三氫化鈧、三氫化釔和三氫化鑭，每種氫化物的金屬晶格中含有豐富的氫原子。研究所地球物理實驗室高壓問題科學家毛河光發現，壓力大約在10萬至20萬倍于海平面大氣壓，3種模型材料出現超導性。三氫化鑭超導現象穩定狀態條件是10萬個大氣壓和-253攝氏度（20開爾文）；三氫化鈧和三氫化釔的穩定狀態條件是20萬個大氣壓，但轉變溫度分別是-255攝氏度（18開爾文）和-233攝氏度（40開爾文）。
　　研究還發現，在超導臨界溫度下，同三氫化鈧相比，三氫化釔和三氫化鑭之間振動能分布更為相似；且當3種化合物都出現結構變化時，可獲得最高的臨界溫度。這一結果表明，出現超導態是化合物中帶振動能的電子穿過格子狀結構的過程中相互作用的結果。當壓力超過35萬大氣壓時，3種化合物又失去了超導性能，變成普通金屬；而當壓力達到50萬大氣壓時，只有三氫化釔重新呈現超導態，研究人員認為這是因為其質量不同于另兩種化合物。
　　毛河光表示，此前的研究都集中在含有4個氫原子的化合物上，這次的模型實驗證明，當壓力介于10萬大氣壓到20萬大氣壓之間時，含有3個氫原子的金屬氫化物就可以具備超導性能，這比含有4個氫原子的同種金屬氫化物呈現出超導態所需要的壓力低一個量級，使得它們更有潛力應用于超導領域的研究。這些溫度和壓力條件在實驗室中可以很容易達到，研究人員希望，他們的模型研究成果能得到今后更多實驗的驗證和支持。