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St Mary's Business | 物理学颠覆性突破,常温超导,第四次工业革命的种子?

已更新:2023年3月23日


事件背景

一段聊天记录引发各大投资群疯狂传播,国内乙方券商连夜学习超导。

3月7日美国物理学会三月会议APS March Meeting(下文简称APS),美国罗切斯特大学物理学家兰加·迪亚斯Ranga Dias分享他们团队的研究成果:他们找到了一种新的实现氰化物在近环境压力下实现室温超导。


朱经武(高温超导研究的先驱者和液氮温度超导电性发现者之一



Part.1

2月常温超导为什么会引发热潮?

因为超导一直是最早被认为可能引发工业革命的技术,另一个是名气更大一些的可控核聚变。

电是现代人类社会的基础,而常温超导“革”的就是电的“命”。

超导现象是一种非常神奇的物理现象,当物质的温度降到某个特定的临界温度以下时,它将表现出零电阻和完全抗磁性等非常特殊的物理性质。因为这意味着商用的室温超导已经离我们不远了。同时,这种三元氢化物的制备过程中所需要的高压并不是很高,这也为它的实际应用提供了可能性。


看起来只是节省了一些电而已,怎么会引发技术变革呢?

超导技术拥有广泛的应用前景,可在医疗、交通、能源等多个领域发挥重要作用。例如,MRI技术的发展已成为医疗领域的重要突破,而超导磁悬浮列车有望成为未来交通领域的主要发展方向。超导电力输电技术则有助于提高国家能源利用效率和节能减排水平。此外,超导技术的发展还对基础物理学的研究和探索具有重要意义,如高能物理领域中需要使用超导技术的大型加速器和探测器获得足够强的电磁场和精确的探测数据。随着超导技术的不断发展,新的超导材料和器件也将不断涌现,为国家的高端制造和材料科学提供新的突破口和机遇。

此外,从技术上讲,能源都可以转化为电的形式,并且电的远距离传输技术复杂耗损巨大,使得中国狂点特高压输电的技能点实现西电东输;御民不以封疆之界,对能源的控制定价决定了世界的话语权。

Part.2

这哥们发现了啥?靠谱么?

(以下篇幅略枯燥,对专业不感兴趣可直接跳去part 3)

Dias在2022年在Nature发表过类似文章三元氰化物在超高压下实现15℃转变温度的超导电性。不过因为其他物理学家无法重复该结果,被质疑数据造假被Nature撤稿。


这次Dias在APS会议上分享的是另外一种三元氰化物(N-Lu-H)在比上次压强更低的条件下实现。


超导有很多物理解释机制,Dias老哥follow的是经典的BLS理论,Ashcroft & Mermin《固体物理》(研究所的化工组这两天估计都在熬夜看这本砖头书)——电子和声子之间的相互作用是导致电子配对的机制,也就是说,在低于临界温度时,电子会形成自旋和动量相反的电子对。这里有一个有趣的现象,就是离子的质量越小,超导转变温度就越高,这被称为同位素效应。基于这一点,有人推测金属氢应该具有最高的超导转变温度,但由于氢和氢之间的相互作用太弱,所以需要将它们压成固体。


研究人员将镥(Lu)薄片置于金刚石顶砧微腔中,并注入氢气(H2)和氮气(N2)混合物(以99:1比例混合),在高达2 GPa(相当于2万个大气压)的高压下,合成了实验样品。这些样品是通过将氢气和氮气暴力压入镥晶格中形成的。


此外,Dias指出加入第三种元素的动机在于降低实现超导的压强,并增加晶格的稳定性,以提高材料的超导性能。在压缩晶格的过程中,电-声子耦合强度可能会改变,同时可能会改变金属氢化物的电子能带结构,使本来处于局域化状态的镥(Lu)4f电子向费米面移动,从而影响材料的超导电性。


该样品的X射线衍射(XRD)图谱表明,该样品由主要成分为氮掺杂的LuH3(大约92.25%,对应图中的绿色条纹)和少量的氮掺杂LuH(大约7.29%,对应图中的红色条纹)以及极少量的Lu2O3(氧化镥,0.46%,对应图中的紫色条纹)组成。两种不同的晶格常数也对应于两种不同的氢化镥XRD模式,并使用密度泛函理论(DFT)进行了拟合。



少量的氮掺杂被引入氢化物中,考虑到氮的电负性大于氢,氮插入会阻止电子靠近氢,从而阻止H^-离子的形成,这对超导性不利。从结构的角度来看,氢声子的非简谐性、氮替代和氢空位可以促进形成比氢更富氢的氮掺杂的镥氢化物,进而导致超导电性。


导相图是镥-氮-氢(Lu-N-H),并且是通过将样品放入金刚石顶砧微腔中进行测量的。在加压之前,样品呈蓝色金属光泽(图b:i)。随着加压,样品进入超导区域(II),呈现为粉色(图b:iii)。当压强加到1 GPa时,Tc达到最大(大约20°C),然后随着压强的增加,Tc会下降,当样品逐渐失去超导电性时,样品的颜色会呈现为红色金属光泽(图b:iv)。当样品压强重新回到常压时,它会变成蓝色金属光泽(图b:ii)。



该样品在1 GPa(1万大气压)、1.6 GPa(1.6万大气压)和2 GPa(2万大气压)下的电阻测量数据在文章图2(a)中给出。从图(a)可见,电阻有明显的跃变。当样品处于超导态时(30K,红色菱形),电压-电流关系是非线性的,大致满足I^3的幂律。



论文中提到,要确定超导转变所必须的完全抗磁性,需要进行磁化率测量。这种测量比较困难,因此作者使用了PPMS的VSM模块,并在高压腔中使用了油(Daphne oil)进行密封,这样可以测量到高达1.3GPa的压力,从而简化了测试过程。



作者在文中的图3中展示了磁化率测量曲线,但相比于电阻测量,曲线不干净。为了消除背景信号的影响,作者使用了背底信号扣除技术。磁化率测量得到的转变区域比较宽,这可以解释为样品本身存在着压强梯度和化学非均一性,导致不同部分的Tc值不同。

使用交变加热技术测量比热,对MgB2体系验证再对Lu-N-H体系进行测量,所得的电阻测量、磁化率测量与热测量的Tc形成自洽。



Part.3

市场看法


我们咨询中科院与港科技研究人员,他们认为:论文中所提到的结构不稳定,或许结构的猜测有问题,一直存在很大的虚频率,用的是类似虚拟晶体不是文中给出的结构;并且支流迈斯纳图很难相信在269K时还能测到,电阻的数据过于干净,会关注实验的可重复性。

BCS框架中, “电-声子“耦合强度决定Tc,在实际中物理学家会使用ML/AI机器学习的方式来加速三元氰化物的Eliashberg谱函数,即用α^2F(ω)简单算出的Eliashberg谱函数来训练神经网络,再生成更多难以计算的三元氰化物Eliashberg谱函数,这样只需要试验Tc最高的几种三元氰化物。

投资方面的启示:可以关注镥、铈稀土元素的相关板块


风险提示:产业价值化存疑,降压成本高于传统材料低温环境费用,实现零下200度比实现1万倍大气压更可行与便宜。


让子弹再飞一会~


现场视频



*本文仅代表分析员个人观点,不构成任何投资建议。值得注意的是,投资有风险,且金融市场的不可预测性与波动性是未知的。投资标的的价值及投资它们产生的收入既有可能上涨也有可能下跌。因此,您的资产价值将可能无法回溯到初始投资金额。过往投资表现并不代表未来投资表现。

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