突破高壓測試觀測限制   超導氫化物新發現

編譯/高晟鈞

如同人一樣,許多物質在高壓環境下會表現出不同的性質,根據理論預測,當「氫氣」受到超過100萬倍大氣壓力擠壓時,這種輕盈、豐富的氣態元素竟會轉變成金屬,更甚至變成我們夢寐以求的「超導體」:即一種無電組的導電材料。

藝術家對鑽石砧室中氮空位中心的渲染,它可以檢測高壓超導體對磁場的排斥。圖/截取自 ScItehcDaily

科學家一直渴望了解並最終實現超導氫化物的實際應用,包括懸浮列車或是量子探測器等等,然而,研究這些材料在巨大、持續壓力下的行為與特性,在技術層面上來說是近乎不可能的。

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徹底改變高壓物理

在極高壓下研究氫化物的標準方法,是使用一種稱為金剛石壓砧(Diamond Anvil Cell)的高壓器件,該器件能幫助對毫米級以下的物體施加極高的壓力,可達到100至200兆Pa(約10億大氣壓),通常被用來再現行星內核的高壓狀態,或是其他通常條件下難以見到的物質狀態。

該儀器由兩顆明亮的金剛石(鑽石)組成,於兩者介面間擠壓少量樣品材料。為了檢測樣品受到多大的壓力後能實現超導性,物理學家通常藉由兩種特徵進行判斷:零電阻和磁場的排斥(邁斯納效應)。

但問題來了,為了施加必要的壓力,樣品必須透過均勻份部壓力的裝置固定,並封閉於腔室中,這也使得科學家基本上無法「觀測」到內部發生的情況。

高壓測量的突破

超導氫化物一直存在爭議的地方便在於此,高壓下的測量技術十分有限,沒有人能真正觀察到單一樣品中,標示超導性的兩項特徵。對此,研究人員設計了一個巧妙的方法,他們將一層薄薄的感測器,直接整合到金剛石中;或是更準確地來說,該感測器便是由金剛石原子晶格中自然存在的缺陷所製成。

研究團隊使用金剛石中的氮空位中心(Nitrogen Vacancy Center)製成有效的量子感測器,在樣品加壓並進入超導區域時進行成像。為了驗證研究團隊的假設,他們使用了氫化鈰,並發現會在100萬大氣壓下變成超導體。這項研究對於幫助發現新的超導氫化物,與獲得現有材料中其他特性有著巨大的幫助。

資料來源:ScItehcDaily

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