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科学家创造了一种“不可能的”超导化合物

科学家们已经创造出了由氢和镨(一种稀土金属)组成的新型超导化合物,从古典化学的角度来看,这是一种相当令人惊讶的物质。这项研究有助于找到适合室温超导体的最佳金属。研究结果发表在《科学进展》杂志上。

在过去的15年中发展起来的理论认为,氢化物可以制成出色的超导体——冷却至一定温度时具有零电阻的物质,并且能够在没有任何损耗的情况下进行通电,这对于电网特别有价值。但是,科学家仍在努力解决的难题是一种物质很难达到超导性的温度,现实生活中使用的超导体通常使用复杂且昂贵的设备用液氦冷却。物理学家正忙于寻找一种在室温下能实现超导性的物质。可能的候选金属之一是金属氢,但生产它所需的压力超过400万大气压!

一群来自Skoltech的俄罗斯科学家和来自吉林大学的中国研究人员发表了一篇论文,他们的团队创造了氢和镨(镧系金属)的化合物,并研究了它们的物理性质。合成了几种不同原子比例的化合物。为了做到这一点,他们把镨和氢样品放在一个特殊的腔室里,在那里它们被压在两个锥形的钻石之间,这样压力就会增加到40 GPa,然后用激光加热。

这些元素被压缩并反应形成化合物PrH3。不利的一面是,钻石在与氢接触时容易变得太脆弱而破碎。然后,科学家们用硼铵代替了纯氢。硼铵是一种含有大量氢的化合物,加热后容易释放出来,并与镨发生反应。研究人员发现这种方法更有效,并在进一步的实验中继续使用。通过增加压力,他们得到了PrH9。早些时候,他们用同样的技术合成了氢和镧的化合物,镧是同一系列的另一种金属。他们得到的分子是特殊的,因为它们在古典化学中是“不法分子”,因为它们不遵守经典化学的规则。尽管镨原子的电子结构不允许它与许多其他原子结合,但这种“不适当”化合物的存在可以通过复杂的量子计算来预测,并通过实验得到证实。

此外,科学家们通过测量不同温度和压力下的电阻来研究新物质的超导性,发现氢化镨在-264℃时变成了超导性,这比LaH10低得多,尽管这两种化合物在化学和结构上都很相似。作者通过将他们的研究结果与其他研究结果进行比较,探究了这些特征差异的原因,发现金属在元素周期表中的位置及其性质起着关键的作用。结果表明,镨原子充当了电子的供体:与它们的邻居镧和铈不同,镨原子携带着抑制超导性的小磁矩,尽管在较低的温度下,超导性仍然可以发生。

“我们应用了之前用来合成镧氢化物的方法,并成功地制造出了新的超导金属镨氢化物。我们得出了两个主要结论。首先,你可以得到与化合价无关的异常化合物;也就是说,一个原子与其他原子的键数。其次,我们验证了创造超导体的新原理。我们发现,来自元素周期表第二组和第三组之间的“易碎带”的金属是最佳候选。最接近“易熔带”的元素是镧和铈。未来,我们将从这一发现出发,获得新的高温超导体。

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