北京
一種銅氧化物超導體在-190華氏度無電阻導電，這是常壓下迄今達到的最高溫度。
30多年來，一個數字一直橫亙在超導研究的前方，如同頑固的壁壘：133開爾文，約零下220華氏度。盡管歷經數十年努力，始終沒有材料能在常壓下以更高的溫度實現超導。
如今，休斯頓大學和阿貢國家實驗室的研究人員打破了這個保持了數十年的紀錄。
他們先將一種銅氧化物超導體短暫置于極端壓力之下，然后迅速撤去壓力，由此在常壓下實現了151開爾文（零下190華氏度）的超導。
這項紀錄之所以重要，是因為超導體能夠無電阻地輸送電流，有望消除電網的能量損耗，并催生更強的磁體、量子技術和聚變系統。
然而，多數超導體只在極低溫度下工作，而少數接近室溫的超導體又需要巨大的壓力，使得它們難以在實驗室之外實用化。
這項新結果意味著，壓力或許不必一直伴隨超導。通過將超導體“鎖定”在壓力改變后的狀態，研究人員保住了那種通常在撤去擠壓時就會消失的溫度提升。以下是他們的做法：
將超導性推至30年前的極限之外
研究團隊采用了一種名為Hg-1223的銅氧化物超導體，它正是自20世紀90年代初以來一直保持常壓紀錄的材料。
研究人員指出：“為了通過壓力淬火方法在常壓下創下最高臨界溫度（Tc）紀錄，我們選擇了化學性質穩定的Hg1223，因為它在常壓下擁有目前最高的Tc紀錄133 K，并且Tc呈現出很大的正壓力效應，在壓力下可達164 K。”
他們在金剛石對頂砧中將微小樣品擠壓到近30吉帕斯卡，大約是海洋底部壓力的300倍。在此條件下，材料的超導臨界溫度大幅上升。
關鍵的一步出現在壓縮之后。研究人員沒有讓材料緩慢恢復常態，而是在保持樣品低溫的同時迅速釋放壓力。
這種“壓力淬火”過程將材料困在亞穩態，阻止其原子結構完全回到正常。結果是，即便壓力完全撤除，樣品仍在151開爾文保住了超導性，比原先的紀錄高出18開爾文。
X射線揭示改善何以存留
打破紀錄只是挑戰的一半。研究人員還想知道，為什么材料在卸壓后仍能保持更優的性能。
為此，團隊使用了阿貢國家實驗室的先進光子源。其高度聚焦的X射線束使他們得以檢視壓力淬火過程中材料內部細微的結構變化。
測量結果顯示，快速泄壓在晶體結構中留下了大量微觀缺陷。通常情況下，這類缺陷被視為不完美，但在這里，它們似乎有助于穩定超導狀態。
這些發現表明，材料保留了高壓環境的結構“記憶”。它沒有完全松弛回到原本的形態，而是保留了足夠多由壓力誘導的排列，從而在更高溫度下維持超導。
進一步檢驗“加壓再釋放”技巧的時候到了
這項新紀錄并未消除對冷卻的需求，該材料的工作溫度仍遠低于室溫。但這項研究證明，通過壓力增強的超導性在壓力移除后依然能夠存留，這是研究人員長久以來追求的結果。
與需要持續極端壓力的超導體不同，這種新材料現在可以在常規實驗室條件下進行研究。這能讓研究人員更容易探究其行為背后的機制，并探索潛在的應用。
“由于這種材料在常壓下依然超導，科學家可以用普遍可得的儀器來研究它，并著手開發在日常條件下工作的技術。”參與研究的阿貢國家實驗室物理學家周華（Hua Zhou）說。
下一步是確定能否將相同的策略應用于其他超導體，包括那些在壓力下能達到更高轉變溫度的材料。如果成功，這一方法將可能為開發在越來越接近尋常條件下工作的超導體，提供一條切實可行的路徑。
該研究發表在《PNAS》期刊上。
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