科学|压力山大更超导｜超导“小时代”
【科学|压力山大更超导｜超导“小时代”】
有压力才会有动力 ， 有动力才能坚持进步 。
——雷锋
撰文 | 罗会仟 (中国科学院物理研究所)
来源：中国物理学会期刊网
压力 ， 是一种神奇的力量 。 科学家们认为 ， 地球生命的起源 ， 就极有可能来自大洋深处的高压热泉 。 地球的内部 ， 滚动着高温高压的熔岩 ， 形成的地磁场让生命免遭高能宇宙射线的危害 。 在材料科学中 ， 压力是一种高效合成材料和调控其物性的重要手段 。 压力能够让材料发生许多神奇的变化 ， 比如黑乎乎的一块石墨 ， 在高温高压下 ， 就有可能变成闪闪耀眼的金刚石 。 所以 ， 钟情钻石的朋友们该醒悟到 ， 它和石墨同样是碳原子组成的 ， 一点也不稀罕 。 如今 ， 这种人工技术合成的钻石 ， 足以达到11 克拉以上 ， 看上去和天然钻石差别并不大 ， 和石墨的区别也仅仅在于“压力山大”而已 (图1) 。
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图1 “压力山大”的石墨老爸成了金刚石
在超导材料研究中 ， 高压是非常重要的方法 。 在高压下 ， 原材料之间互相接触紧密 ， 化学反应速度要远远大于常压情况 ， 极大地提高了材料制备的效率 。 常用的高压合成方法有很多 ， 比如多面顶高温高压合成和高压反应釜合成等 。 前者比较复杂 ， 外层是个球壳 ， 传压介质包裹着里面的八面球压砧 ， 然后顶上六面顶压砧 ， 再压上一个四面体的传压介质 ， 最里面才是样品材料 (图2) 。 如此设计的层层压力传递 ， 最终就能在比较狭小的空间里实现几十万个大气压 (~20 GPa) 。 高压反应釜则比较适合液相合成 ， 将原料放在液体中并将其高压密封 ， 温度升高后压力会更高 ， 有利于某些样品的生长 (图2) 。 借助高温高压 ， 能实现不少常压下得不到的材料 。 对于某些特殊材料 ， 如一些笼状化合物 ， 在常压下难以稳定存在或合成 。 包裹着甲烷等的笼状水合物 ， 又称之为“可燃冰” ， 就是海洋深处高压下形成的 。 一
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图2 高压合成装置举例丨来自英文维基百科
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图4 高压合成的新型铜氧化物超导体丨来自arxiv.org
和高温高压合成的“先天性”高压相比 ， “后天性”的高压也可以调控超导材料的特征 ， 尤其是临界温度 。 后期加高压的方法有很多 ， 有类似高温高压的多面对顶压砧 (~30 GPa) ， 也有活塞圆筒结构的高压包 (~2 GPa) ， 还有瞬间爆炸释放的超高压力 (~1000 GPa) 等 。 最常用的就是金刚石“对顶压砧”：用将两块尖端磨平的金刚石顶对顶压样品 ， 最高静态压力可以达到数百万个大气压 (~400 GPa) 。 有意思的是 ， 金刚石对顶压砧靠的就是它的最强硬度 ， 大部分用的是高温高压合成的人造金刚石 ， 因为纯度要高且价格不太贵 。 利用金刚石的透光特性 ， 可引入电磁辐射 (如X 射线等) 来标定材料受到的实际压力 ， 或测量材料的光谱特性 (图5) 。 至于电学或磁学测量 ， 则需要单独引出测量引线或外加线圈 ， 难度也是非常大的 。
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