科学家发现第一种存在于自然界的非常规超导体：密硫铑矿

保罗-坎菲尔德（Paul Canfield）培育的密硫铑矿晶体图片。资料来源：美国能源部埃姆斯国家实验室

研究小组对密硫铑矿的研究发现，它是一种非常规超导体，具有与高温超导体类似的特性。他们的发现进一步加深了科学家们对这种超导性的理解，这可能会在未来带来更可持续、更经济的基于超导体的技术。

超导电性是指材料能够导电而不损失能量。超导体的应用领域包括医疗核磁共振成像仪、电力电缆和量子计算机。传统的超导体很好理解，但临界温度较低。临界温度是一种材料成为超导体的最高温度。

20 世纪 80 年代，科学家发现了非常规超导体，其中许多的临界温度要高得多。据艾姆斯实验室的科学家鲁斯兰-普罗佐罗夫（Ruslan Prozorov）称，所有这些材料都是在实验室中培育出来的。这一事实使人们普遍认为，非常规超导并非自然现象。

普罗佐罗夫解释说，很难在自然界中找到超导体，因为大多数超导元素和化合物都是金属，容易与氧气等其他元素发生反应。密硫铑矿（Rh17S15）是一种有趣的矿物，原因有几个，其中之一就是它复杂的化学式。直觉上，我们会认为这是在集中搜索过程中刻意制造出来的东西，不可能存在于自然界中。

爱荷华州立大学物理和天文学特聘教授、艾姆斯实验室科学家保罗-坎菲尔德（Paul Canfield）在新型晶体材料的设计、发现、生长和表征方面拥有丰富的专业知识。他为这个项目合成了高质量的密硫铑矿晶体。坎菲尔德说："虽然密硫铑矿是在俄罗斯车里雅宾斯克州米亚斯河附近发现的一种矿物，但它是一种罕见的矿物，一般不会生长出形态良好的晶体。"

密硫铑矿晶体是发现结合了高熔点元素（如 Rh）和挥发性元素（如 S）的化合物的更大努力的一部分。坎菲尔德说："与纯元素的性质相反，我们一直在掌握这些元素混合物的使用方法，使晶体能够在蒸汽压最小的情况下低温生长。这就像发现了一个隐藏的钓鱼洞，里面有很多大鱼。在 Rh-S 系统中，我们发现了三种新的超导体。而且，通过鲁斯兰的详细测量，我们发现密硫铑矿是一种非常规超导体。"

研究小组专门研究低温超导体的先进技术。材料需要低至 50 毫开尔文，也就是约华氏零下 460 度。

普罗佐罗夫的团队使用了三种不同的测试来确定密硫铑矿的超导性质。主要测试称为"伦敦穿透深度"。它确定了弱磁场从表面穿透超导体体的距离。在传统超导体中，这一长度在低温下基本保持不变。然而，在非常规超导体中，它随温度呈线性变化。这项测试表明，密硫铑矿具有非常规超导体的特性。

研究小组进行的另一项测试是在材料中引入缺陷。这项测试是他的团队在过去十年中采用的一项标志性技术。它包括用高能电子轰击材料。在这个过程中，离子会被击离它们的位置，从而在晶体结构中产生缺陷。这种无序会导致材料临界温度的变化。

传统超导体对非磁性无序并不敏感，因此这种测试将显示临界温度没有变化或变化很小。非常规超导体对无序非常敏感，引入缺陷会改变或抑制临界温度。它还会影响材料的临界磁场。研究小组发现，在密硫铑矿中，临界温度和临界磁场的表现与非常规超导体的预测一致。

对非常规超导体的研究提高了科学家对其工作原理的理解。普罗佐罗夫解释说，这一点非常重要，因为"揭示非常规超导背后的机制是超导体经济合理应用的关键"。

编译自:ScitechDaily