物理學家發現首種具天然成分的非傳統超導體

固態化學已製造出大量具有自然界中所沒有的特性的材料。舉例來說，稱為銅酸鹽的銅氧化物化合物中的高溫超導性，與天然存在的金屬和合金的超導性截然不同，且常被稱為非傳統超導性。非傳統超導性也存在於其他合成化合物中，像是鐵基和重費米子超導體。艾姆斯國家實驗室（Ames National Laboratory）的物理學家，在合成的Rh₁₇S₁₅樣本中，找到了令人信服的非傳統超導性證據，而Rh₁₇S₁₅在自然界中以米亞斯石（miassite）礦物的形式存在。

米亞斯石是自然界中僅有的四種在實驗室中生長時可作為超導體的礦物之一，也是目前已知唯一一種在純淨合成形式下呈現非傳統超導性的礦物。圖片出處：保羅·坎菲爾德（Paul Canfield）。

超導性是指材料能無能量損失地導電的特性。

超導體的應用包括醫用核磁共振成像（MRI）機器、電力電纜和量子電腦等。

傳統超導體已被充分了解，但臨界溫度較低。

臨界溫度是材料呈現超導性的最高溫度。

在20世紀80年代，科學家發現了非傳統超導體，其中許多的臨界溫度要高得多。

艾姆斯國家實驗室研究員魯斯蘭·普羅佐羅夫（Ruslan Prozorov）表示：「所有這些材料都是在實驗室中生長的。」

「這個事實導致了一種普遍的看法，即非傳統超導性不是一種自然現象。」

「在自然界中很難找到超導體，因為大多數超導元素和化合物都是金屬，容易與其他元素，如氧發生反應。」

「米亞斯石是一種有趣的礦物，原因有好幾個，其中之一是它複雜的化學式。」

「直覺上，你會認為這是在有針對性的研究中刻意製造出來的東西，不可能在自然界中存在。但事實證明它確實存在。」

培育米亞斯石晶體是一項更大研究工作的一部分，旨在發現將高熔點元素（如Rh）和揮發性元素（如S）結合的化合物。

艾姆斯國家實驗室和愛荷華州立大學的物理學家保羅·坎菲爾德教授表示：「與純元素的特性相反，我們一直在掌握使用這些元素的混合物，以便在低蒸氣壓下低溫生長晶體。」

「這就像找到了一個隱藏的魚塘，裡面全是又大又肥的魚。在Rh-S系統中，我們發現了三種新的超導體。」

「而且，透過詳細的測量，我們發現米亞斯石是一種非傳統超導體。」

研究人員使用了三種不同的測試來確定米亞斯石超導性的性質。

主要的測試稱為倫敦穿透深度測試。它用於確定弱磁場能從表面穿透超導體內部的深度。

在傳統超導體中，這個長度在低溫下基本保持不變。

然而，在非傳統超導體中，它隨溫度呈線性變化。

這項測試表明，米亞斯石表現出非傳統超導體的特性。

研究團隊進行的另一項測試是在材料中引入缺陷。

普羅佐羅夫博士表示：「這項測試是他的團隊在過去十年中一直使用的一種標誌性技術。它涉及用高能電子轟擊材料。」

「這個過程會將離子從其位置上撞出，從而在晶體結構中產生缺陷。」

「這種不規則性會導致材料的臨界溫度發生變化。」

傳統超導體對非磁性不規則性不敏感，所以這項測試在臨界溫度上不會顯示出變化或只有很小的變化。

非傳統超導體對不規則性高度敏感，引入缺陷會改變或抑制臨界溫度，也會影響材料的臨界磁場。

科學家們發現，在米亞斯石中，臨界溫度和臨界磁場的表現都符合非傳統超導體的預期。

對非傳統超導體的研究有助於科學家更好地瞭解它們的工作原理。

普羅佐羅夫博士表示：「這很重要，因為揭示非傳統超導性背後的機制，是超導體在經濟上可行應用的關鍵。」

這項發現發表在《通訊材料》（Communications Materials）雜誌的一篇論文中。

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H. Kim等人，2024年。米亞斯石Rh17S15中的節點超導性。《通訊材料》5卷，17頁；doi: 10.1038/s43246-024-00456-w