室溫超導體

[peter]

https://swarajyamag.com/insta/iiser-pune-puts-dent-on-iiscs-superconductivity-claims


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https://www.metaculus.com/questions/1417/will-a-recent-paper-claiming-a-breakthrough-in-high-t-superconductivity-be-published-in-nature/


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https://m.sina.com.hk/news/article/20180912/0/5/2/%E8%A6%81%E9%A1%9B%E8%A6%86%E6%95%B4%E5%80%8B%E7%89%A9%E7%90%86%E7%95%8C-%E5%8D%B0%E5%BA%A6%E7%A7%91%E5%AD%B8%E5%AE%B6%E7%99%BC%E4%BD%88%E5%AE%A4%E6%BA%AB%E8%B6%85%E5%B0%8E%E9%87%8D%E7%A3%85%E6%88%90%E6%9E%9C-9225595.html



http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=45&topic=26287.msg241521#msg241521

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https://www.cnbeta.com/articles/science/767119.htm

如果一篇新论文通过《Nature》的审核，那么印度将迎来其继拉曼效应后又一个世界重磅科学贡献。7 月 23 日，论文预本网站 arXiv 上面出现了一篇论文，标题翻译过来是：《室温和常压下超导体存在的证据》，作者是印度科学院固体物理和结构化学系的 Anshu Pandey 教授和他的博士生 Dev Kumar。

他们在论文中声称，在室温和常压下，一种由金和银构成的纳米复合材料显现出了超导的特性。

室温超导一直是学术界研究的热门话题，这个奇特的性质几度在科幻与现实之间摇摆，可望而不可及，很多物理学家愿意终其一生去寻找室温超导的答案。过去的几十年里不乏有关于“室温超导”的论文发出，每次都会引起学界不小的讨论。最后往往是讨论尘埃落定，大家铩羽而归。

[peter]

https://www.inside.com.tw/article/15693-US-Military-Files-Patent-for-Room-Temperature-Superconductor

近期美軍研究人員申請了一份室溫超導體的專利，號稱可以在攝氏 25 度室溫下就可以實現無電阻。

[peter]

研究者藉助高壓實現了室溫超導 

http://www.epochtimes.com/b5/19/1/19/n10987587.htm

喬治華盛頓大學工程應用科學研究員Maddury Somayazulu說：「儘管需在200萬個大氣壓下實現室溫超導，這仍是科學史上一個重要的時刻。」

科學家們造了一種富含氫元素的金屬，在近200萬個大氣壓的高壓下實現了超導。他們利用鑽石對頂砧（Diamond Anvil Cell）設備產生高壓，把金屬鑭（La）和氫擠壓在一起，然後高溫加熱，觀察其結構變化。

他們得到了新材料鑭化氫（LaH10），研究者們以前曾預測它可在高溫下具有超導特性。

但在180～200千兆帕斯卡（gigapascals）的壓力下，當其溫度降至260開爾文（約零下13度）時，研究者們觀測到了電阻的顯著降低，即實現了接近室溫下的超導。在後續實驗中，研究者們觀察到在溫度最高達280開爾文（約7攝氏度）時也可實現這一超導變化。

同是喬治華盛頓大學的研究員Russell Hemley說：「我們認為這是一個超導新紀元的開端。我們才實驗了一種化學材料——稀有的鑭化氫，還有很多其它富含氫的材料值得探索。我們有信心很多其它超氫化物在高壓下，在較高的溫度就可實現超導。」

這份研究本週發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上

[peter]

美國海軍發表「室溫室壓超導體」專利
https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=33825&fbclid=IwAR0E2AaRgYHOnou-5Ns3sTkl1BjC9tHM97h1aJVTQBwlXvihM60Hbl6tV88

但在美軍的這一份專利中，材料的配方不是重點，關鍵則在於引發超導現象的物理機制。圖一是專利中的設計圖。裝置的核心是一個絕緣體(沒有說明材料種類)。絕緣體的周圍被壓電材料或是金屬等薄膜包覆(鋁或鋅鈦酸鉛)。在通過脈衝電流時，整個裝置產生震動，室溫超導現象因而被激發

超導現象可以用BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理論解釋。當兩個電子在材料之中因為「某種吸引力」形成一個古柏電子對(Cooper pairs)。雖然電子是費米子，古柏電子對卻是一個波色子。在足夠低溫下，古柏電子對發生凝聚現象，超導性質因而產生。

BCS理論中並不要求「某種吸引力」的來源，只要是有吸引力就好了。庫倫定律告訴我們兩個帶有相同電荷的粒子會互相排斥，兩個電子究竟要怎麼產生吸引力呢？公認的解釋是聲波震動的作用：震動的原子核扮演中間人的角色，使得兩個電子互相吸引。更詳細的解說可以參考＜室溫超導體指日可待？＞。

●聲波扮演格外重要的角色

超導體具有一個臨界溫度，只有在臨界溫度以下才有超導性質。經過科學家不斷的研究和發現新材料，臨界溫度從一開始接近絕對零度(0K)逐漸升高到100K以上(圖二)。提高超導體臨界溫度的其中一個關鍵是聲波的特性。當材料原子之間的鍵結越強或者是原子越輕，聲波的震動頻率會越高，臨界溫度也會越高。因此，提升臨界溫度的方法之一是將超導材料中的部分原子替換成質量越小、鍵結越強的原子。




除了尋找新材料和替換原子，也可以透過物理方法改變聲波特性，讓臨界溫度更高。以下介紹兩個在美軍專利中提到的參考資料。第一個方法是增加壓力。在氫化鑭（LaH10）之中，由於氫原子質量非常小，聲波頻率本身就高。科學家對氫化鑭施加上百萬個大氣壓的壓力，讓原子間鍵結增強，臨界溫度可以更進一步地提升到200K以上。儘管臨界溫度接近室溫，卻需要百萬個大氣壓力，無法應用在日常生活中。第二個方法是用雷射激發超導。具有特定頻率和極性的雷射可以激發材料中特定的聲波，使得材料在原子尺度下產生大幅度的形變。若要用外加壓力產生相同的形變，需要超過上百萬個大氣壓力。使用雷射方法可以在室溫、室壓達到超導現象，但有一個致命的缺點：超導現象只能維持大約1皮秒(1 picosecond = 10-12second)，時間尺度太短而無法應用在日常生活中。

●美軍發表的室溫超導體

美軍專利和「雷射激發超導」使用的物理原理相同，但是它不使用雷射，而是使用壓電材料。壓電材料在受高壓電時，其長度會發生變化。若通入脈衝電流或是交流電，壓電材料會產生震動，在材料中產生聲波。美軍專利就是用這樣的原理在材料中產生特定的聲波，使得臨界溫度提升到室溫。儘管沒有提及環境壓力，但是依照專利的文章脈絡，這個現象應能在室壓下產生。至於這份專利能不能長時間激發超導現象(超過雷射激發的1皮秒)，美軍目前並沒有公布。

 

參考資料：

    Salvatore Cezar Pais, piezoelectricity-induced room temperature superconductor, US Patent 2019/0058105 (2019)
    Dienst et al., Bi-directional ultrafast electric-field gating of interlayer charge transport in a cuprate superconductor, Nature Photonics, 5, 485-488 (2011)

[peter]

https://www.cnbeta.com/articles/science/850871.htm

最近，德国马普化学研究所的 Mikhail Eremets 和同事发现氢化镧（LaH10 ）的超导性出现在 250K 或 -23℃ 温度下，这个温度已经相当接近于常温。研究人员取来仅几微米大小的镧金属样本，放进一个打孔且充满液态氢的金属箔中，接着将此装置连接电线，然后对其施加高达 150～170GPa 的压力——相当于 170 万倍标准大气压或地球中心压力的一半。。下一步，研究人员以雷射光轰击样本，使镧和氢结合形成氢化镧，最后用 X 射线束测量该材料的结构与成分。

虽然团队对材料施加的压力之大，不太可能落实应用，但显然我们又往 0℃ 室温超导体迈进一大步，研究人员下一个目标，就是寻找在常压之下也能表现出超导特性的神奇化合物。 新论文发表在《自然》（Nature）期刊。

[peter]

https://www.facebook.com/THUPhys1955/photos/pcb.3508980245789215/3508978899122683/?type=3&theater
https://www.facebook.com/THUPhys1955/photos/pcb.3508980245789215/3508978859122687/?type=3&theater

 MIT前天發了新聞稿，發表了新型的高溫超導纜線裝置，可以拿來建造核融合爐用來拘束高溫電漿的電磁鐵，這種纜線名稱很殺，叫做「毒蛇」（VIPER），名稱來自「Vacuum pressure impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded, and Roll-formed」（怎麼看都是好強引的縮寫啊…）。

這種纜線使用 #釔鋇銅氧高溫超導體（#朱經武院士 與 #吳茂昆院士 的貢獻），可以比傳統超導體纜線製成的超導磁鐵提供更高的磁場，超過 15 Tesla，也就是地球磁場的 30 萬倍左右。這有什麼好處呢？核融合爐的能量密度跟磁場的四次方成正比，也就是說，當磁場兩倍的時候，同樣功率的融合爐大小可以變成原來的 1/16，也就是說：

（可以裝在 #鋼彈 上的）小型化的核融合爐要來啦！

2019
https://iknow.stpi.narl.org.tw/Post/Read.aspx?PostID=15746
麻省理工學院(MIT)的研究人員Brandon Sorbom透過使用高溫超導體(high-temperature superconductors)開發的電磁系統技術，能夠實際為目前世界上最大的實驗性托卡馬克核融合反應爐(tokamak fusion reactor)提出新的設計，而且可能在短短十年內實現。
 
ARC(affordable, robust, compact)反應爐是一種經濟實惠、堅固、緊密的產物，它是為了要減少核融合科學設備(fusion nuclear science facility, FNSF)的大小、成本、和複雜度所設計出的概念。更強的磁場可以產生核融合反應中超熱離子體(superhot plasma)所需的磁約束(magnetic confinement)，而且是在比過去設想的更小設備中。
 
這個技術被詳細地描述在Fusion Engineering and Design期刊中，包括：
 

    ARC設計概述：ARC反應爐是一種概念性托卡馬克的設計，可以用作能源生成的示範核能發電廠，也可用作D-T中子場(D-T neutron field)中集成材料和部件輻射測試的FNSF。
    磁鐵系統設計：ARC的設計特點之一就是在於其使用的超導體是釔鋇氧化銅(yttrium barium copper oxide, YBCO)，它屬於稀土鋇銅氧化物(Rare-earth barium copper oxide, REBCO)。環形場(Toroidal field, TF)線圈設計用於在軸上提供9.2T的磁場，峰值可達到23T。且TF線圈有關節，易於拆卸。這個允許快速更換真空容器，減輕了第一壁塌陷(first wall survivability)的疑慮。設計點的等離子體融合增益(plasma fusion gain)為Qp≈13.6，但完全無感，適度的自舉部分(bootstrap fraction)僅約為63%。因此，ARC提供高功率增益，並具有相對較大的電流分佈外部控制。
    核融合的核心設計：ARC使用全液態氮作為覆蓋層，這是由低壓緩慢流動的氟化鋰鈹(FLiBe)熔鹽所組成，並且被可拆卸的超導TF線圈包圍，便於拆卸。為了使氚增值(tritium breeding)的體積最大化，除了將真空容器懸浮在FLiBe中最小的支撐柱，亦將真空容器完全浸入連續循環的FLiBe層中。液體覆蓋層是低風險技術，提供有效的中子調節和屏蔽，優異的散熱性能，氚增殖率(tritium breeding ratio)≥1.1。FLiBe液體的溫度範圍允許900K的輸出覆蓋率。單相流體冷卻和高效氦氣布萊頓循環(Brayton cycle)，將在允許作為先導發電廠運行ARC時產生淨電力。

 
ITER是目前正在法國建造的世界上最強大的核融合反應爐計劃，預計耗資約400億美元。Sorbom和麻省理工學院的團隊估計，新設計的ARC大約是ITER直徑的一半，因此可以在很短的成本和更短的施工時間內產生大約相同的功率。
 
按照目前的設計，反應爐應該能夠產生大約三倍於保持運行所需的電力，但若持續改良技術，將這一比例將增加到大約五到六倍。到目前為止，沒有任何核融合反應爐產生的能量和它消耗的能量一樣多，因此這種淨能源生產將成為核融合技術的重大突破。
 
該研究得到了美國能源部和國家科學基金會的支持

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/abb8c0

https://www.birr-machines.com/vacuum-pressure-impregnation/



ITER => 
https://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=3&topic=24020.0

[peter]

https://technews.tw/2020/10/15/room-temperature-superconductor-carbonaceous-sulfur-hydride/
超導材料雖然因零電阻、抗磁性威名遠播，但將其技術化的困難點仍在於，這些材料只能在低溫高壓環境中發揮作用，也因此，尋找室溫下具有超導特性的材料，是科學家夢寐以求的目標。現在科學家似乎成功了，來自羅徹斯特大學的工程師和物理學家們，首次在高壓力下開發出室溫超導材料，於 15℃ 出現超導特性。開發室溫超導材料（在室溫下完全零電阻和完全抗磁性）是凝聚態物理學的聖杯，這種材料可以完全改變當今世界的面貌。2012 年 9 月時，德國萊比錫大學研究人員率先發現石墨顆粒能在室溫下表現出超導性，雖然僅 0.01% 部分表現抗磁性，但這一發現具有重要意義──科學家看見室溫超導的曙光。迄今為止，已知最高溫度的超導材料仍需在零下 23℃ 才會出現超導性，為 2018 年德國化學家發現的十氫化鑭（在壓力 170GPa，溫度零下 23℃ 時有超導性出現），如果像石墨這種便宜又容易獲得的材料能實現室溫超導，將引發新一波工業革命。不過沒想到，科學家最先合成出來的室溫超導材料不是石墨，而是碳氫化硫（carbonaceous sulfur hydride）。由羅徹斯特大學物理與機械工程學助理教授 Ranga Dias 領導的團隊，將氫與碳、硫結合在一起、於鑽石鉆（diamond anvil cell）上合成簡單的碳氫化硫，發現該材料在溫度 15℃ 、壓力 39,000,000 psi（267 GPa）環境下表現出超導性。雖然，實驗中產生的壓力環境不可能存在於現實世界中，做為比較：海平面大氣壓力約 15 psi，前者是後者的 260 萬倍。（地球核心壓力則約 330～360 GPa）。


https://www.cnbeta.com/articles/science/1040881.htm
Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride


他们成功地在高达 59℉（15℃）的温度下，让一种碳氢硫化合物表达出了超导的特性。不过这个长期追求的科学里程碑，仍有一个明显的短板 —— 需要在极端压力条件下才能实现。

即便如此，这项新研究还是创下了新的纪录，温度较去年提升了 50+℉（10+℃）。西班牙巴斯克大学凝聚态理论学家 Ion Errea 指出，这是我们首次实现真正意义上的常温超导。

剑桥大学材料科学家 Chris Pickard 补充道，即便由罗切斯特大学的 Ranga Dias 带领的团队研制的新型化合物永远无法为无损输电线等产品服务，这项研究仍具有显著的里程碑式意义。