超導氫？

Superconducting hydrogen?
http://www.physorg.com/news183653973.html

January 25, 2010

物理學家一直在納悶氫（hydrogen），宇宙中最豐富的元素，是否能轉變成金屬，甚至成為超導體的可能性 -- 在這種難以捉摸的狀態下，電子可以毫無阻礙地流動。他們推測，在某種壓力與溫度狀態下，氫可被擠壓成某種金屬，甚至有可能成為超導體，不過要在實驗上證明這件事很難。

高壓研究者，包括 Carnegie 的 Ho-kwang (Dave) Mao，現在塑造出三種氫密集金屬合金（hydrogen-dense metal alloys）的模型並發現壓力與溫度傾向與超導態有關連性 -- 這大幅提升了我們對於這種豐富材料如何被駕馭的理解。這項研究發表在 2010 1/25 的 PNAS 線上版。

所有已知材料都必須被冷卻到一個非常低的、所謂的轉變溫度（transition temperature，過渡溫度），藉此產生導電性，這使得它們不適合廣泛應用。科學家已發現，除了透過化學操控提升轉變溫度外，超導性也能由高壓所引發。在界定能導致高轉變溫度之特性與壓力上，理論性塑模非常有幫助。在這項研究中，科學家在特定溫度、壓力與組成情況下，塑造出三種金屬氫化物來自第一原理（first principles，在原子層次的行為研究）的基本特性。金屬氫化物是金屬在一晶格結構中與大量的氫結合而成的化合物。這些化合物包括：三氫化鈧（scandium trihydride，ScH3）、三氫化釔（yttrium trihydride，YH3）以及三氫化鑭（lanthanum trihydride，LaH3）。

"我們發現，大約在 10 萬到 20 萬個海平面大氣壓壓力下（10 到 20 GPa），開始出現超導電性，那比相關化合物（那與四個氫結合，而非三個）的壓力低了一個數量級，" Carnegie 地球物理學實驗室的 Mao 談到。"三氫化鑭約在 10 萬個大氣壓力下穩定，同時轉變溫度為 20 Kelvin，而其他二種則在大約 20 萬個大氣壓下，且 ScH3 與 YH3 的轉變溫度分別是 18 K 與 40 K。

研究者也發現，在超導臨界值下有二種化合物，LaH3 與 YH3，其彼此的振動能量分布比 ScH3 更加相似，且當這三種化合物發生結構性轉變（structural transformation）時，轉變溫度都在此時飆到最高。

結果指出，超導態來自於電子與遍及晶格之振動能量的交互作用。當壓力高於 35 五萬個大氣壓時（35 GPa），超導電性消失了，且這三種化合物變成一般金屬。約 50 萬個大氣壓時，三氫化釔再度出現超導態，而其他則否。科學家把這種結果歸因於其不同的質量。

"此模型在類似溫度與壓力下，在這三種相關化合物的行為中，預測到特殊的趨勢，對於此領域來說，這個事實非常令人振奮，" Mao 評論道。在此研究之前，焦點都放在具有四個氫的化合物上。三氫化合物的超導性在較低壓力下被引發這項事實，使得它們具有成為更多有用材料的潛力。這些溫度與壓力範圍很容易在實驗室中辦到，且我們希望看見一連串實驗能支持這些結果。在 Carnegie 的團隊已利用這類三氫化合物開始進行他們自己的實驗，來檢測這些模型。

※ 相關報導：

＊ General trend for pressurized superconducting hydrogen-dense materials
http://www.pnas.org/content/107/7/2793.abstract

Duck Young Kim, Ralph H. Scheicher, Ho-kwang Mao,
Tae W. Kang and Rajeev Ahuja
PNAS February 16, 2010, vol.107, no.7, 2793-2796
doi: 10.1073/pnas.0914462107

＊ 液態氫有新「相」的證據
＊ 研究者重新發現水的結構
＊ 如何分解水分子？
＊ 量子波動為超導體中的關鍵
＊ 馴伏野蠻的聲子
＊ 理解行為模式：為何鳥群會行動一致