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保羅-坎菲爾德（Paul Canfield）培育的密硫銠礦晶體圖片。資料來源：美國能源部埃姆斯國家實驗室

研究小組對密硫銠礦的研究發(fā)現(xiàn)，它是一種非常規(guī)超導(dǎo)體，具有與高溫超導(dǎo)體類似的特性。他們的發(fā)現(xiàn)進一步加深了科學(xué)家們對這種超導(dǎo)性的理解，這可能會在未來帶來更可持續(xù)、更經(jīng)濟的基于超導(dǎo)體的技術(shù)。

超導(dǎo)電性是指材料能夠?qū)щ姸粨p失能量。超導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療核磁共振成像儀、電力電纜和量子計算機。傳統(tǒng)的超導(dǎo)體很好理解，但臨界溫度較低。臨界溫度是一種材料成為超導(dǎo)體的最高溫度。

20 世紀 80 年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了非常規(guī)超導(dǎo)體，其中許多的臨界溫度要高得多。據(jù)艾姆斯實驗室的科學(xué)家魯斯蘭-普羅佐羅夫（Ruslan Prozorov）稱，所有這些材料都是在實驗室中培育出來的。這一事實使人們普遍認為，非常規(guī)超導(dǎo)并非自然現(xiàn)象。

普羅佐羅夫解釋說，很難在自然界中找到超導(dǎo)體，因為大多數(shù)超導(dǎo)元素和化合物都是金屬，容易與氧氣等其他元素發(fā)生反應(yīng)。密硫銠礦（Rh17S15）是一種有趣的礦物，原因有幾個，其中之一就是它復(fù)雜的化學(xué)式。直覺上，我們會認為這是在集中搜索過程中刻意制造出來的東西，不可能存在于自然界中。

愛荷華州立大學(xué)物理和天文學(xué)特聘教授、艾姆斯實驗室科學(xué)家保羅-坎菲爾德（Paul Canfield）在新型晶體材料的設(shè)計、發(fā)現(xiàn)、生長和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識。他為這個項目合成了高質(zhì)量的密硫銠礦晶體。坎菲爾德說："雖然密硫銠礦是在俄羅斯車里雅賓斯克州米亞斯河附近發(fā)現(xiàn)的一種礦物，但它是一種罕見的礦物，一般不會生長出形態(tài)良好的晶體。"

密硫銠礦晶體是發(fā)現(xiàn)結(jié)合了高熔點元素（如 Rh）和揮發(fā)性元素（如 S）的化合物的更大努力的一部分。坎菲爾德說："與純元素的性質(zhì)相反，我們一直在掌握這些元素混合物的使用方法，使晶體能夠在蒸汽壓最小的情況下低溫生長。這就像發(fā)現(xiàn)了一個隱藏的釣魚洞，里面有很多大魚。在 Rh-S 系統(tǒng)中，我們發(fā)現(xiàn)了三種新的超導(dǎo)體。而且，通過魯斯蘭的詳細測量，我們發(fā)現(xiàn)密硫銠礦是一種非常規(guī)超導(dǎo)體。"

研究小組專門研究低溫超導(dǎo)體的先進技術(shù)。材料需要低至 50 毫開爾文，也就是約華氏零下 460 度。

普羅佐羅夫的團隊使用了三種不同的測試來確定密硫銠礦的超導(dǎo)性質(zhì)。主要測試稱為"倫敦穿透深度"。它確定了弱磁場從表面穿透超導(dǎo)體體的距離。在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，這一長度在低溫下基本保持不變。然而，在非常規(guī)超導(dǎo)體中，它隨溫度呈線性變化。這項測試表明，密硫銠礦具有非常規(guī)超導(dǎo)體的特性。

研究小組進行的另一項測試是在材料中引入缺陷。這項測試是他的團隊在過去十年中采用的一項標志性技術(shù)。它包括用高能電子轟擊材料。在這個過程中，離子會被擊離它們的位置，從而在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷。這種無序會導(dǎo)致材料臨界溫度的變化。

傳統(tǒng)超導(dǎo)體對非磁性無序并不敏感，因此這種測試將顯示臨界溫度沒有變化或變化很小。非常規(guī)超導(dǎo)體對無序非常敏感，引入缺陷會改變或抑制臨界溫度。它還會影響材料的臨界磁場。研究小組發(fā)現(xiàn)，在密硫銠礦中，臨界溫度和臨界磁場的表現(xiàn)與非常規(guī)超導(dǎo)體的預(yù)測一致。

對非常規(guī)超導(dǎo)體的研究提高了科學(xué)家對其工作原理的理解。普羅佐羅夫解釋說，這一點非常重要，因為"揭示非常規(guī)超導(dǎo)背后的機制是超導(dǎo)體經(jīng)濟合理應(yīng)用的關(guān)鍵"。