超导氢化物材料及其制造和识别方法技术

本发明专利技术公开了物质组合物以及识别和制造物质组合物的方法。一些实施例公开了用于制造和以化学方式和/或从成分上调谐超导氢化物材料。一些实施例公开了用于制造和从成分上调谐超导材料的装置。一些实施例公开了一种物质组合物，包括在周围压力低于180千兆帕，温度为至少150开尔文的情况下，或在温度为至少261开尔文的情况下表现出超导性的固体氢化物。在一个或多个实施例中，超导体包括具有至少三种不同化学元素的共价金属氢化物，其中共价金属氢化物中的氢的原子间距离在1.1

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超导氢化物材料及其制造和识别方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求获得2020年7月20日提交的63/054,105号和63/054,111号美国临时申请的权益。在适用的司法管辖区允许的范围内，这些申请的全部内容都通过引用而纳入本文，下文引用的所有出版物也是如此。

技术介绍

[0003]本专利技术涉及超导物质组合物及其制造方法。
[0004]超导性得到认识已经有100多年的历史了。然而，迄今为止开发出的材料并没有在足够接近许多实际应用所需的环境条件下表现出超导性。开发能够在商业上可行的温度和压力条件下表现出超导性的材料，对于大规模利用超导性的巨大潜在利益是必要的。

技术实现思路

[0005]利用观察室温超导性(RTSC)所需的高超导转变温度对新型材料进行查找、合成以及结构和物理表征，以及理解如何通过亚稳态途径使其恢复到环境条件，对于材料科学和能量传输技术的发展至关重要。超导体提供了一种极其有效的按需储存和回收能量的手段，以及一种用于长距离传输能量的方法，可以克服可再生能量技术产生的能量储存的局限性。一种适合于构造能在较高温度下运行的约瑟夫森结量子逻辑门的稳健的超导体可能会为计算提供一种革命性的新型切换机制。
[0006]富氢材料在高压高温下具有常规超导性已经在数个体系中被报道。参见A.P.Drozdov、M.I.Eremets、I.A.Troyan、V.Ksenofontov&S.I.Shylin，硫化氢体系在203开尔文及高压下的常规超导性(Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system)，Nature 525，73
‑
76(2015)；A.P.Drozdov等人，氢化镧在250K及高压下的超导性(Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures)，Nature 569，528
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531(2019)以及M.Somayazulu等人，超氢化镧在260K以上及兆巴压力下的超导性的证据(Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures)，Phys.Rev.Lett.122，27001(2019)。但是，这些先前被识别出并制造的材料没有在大多数商业应用所需的压力和温度组合下表现出超导性。本专利技术可以满足这一需求。
[0007]在一个方面，公开的实施例包括表现出超导性的物质组合物。具体而言，公开了在更有利的压力和温度下表现出超导性的各种氢化物。
[0008]在另一个方面，公开了制造这些材料的方法。在更进一步的方面，本专利技术的实施例包括用于识别在更有利的压力和温度下表现出超导性的材料的方法。特别公开的实施例提供了用于在三元和四元富氢系统内进行化学调谐以识别在此类条件下具有超导性的材料的技术。
附图说明
[0009]现在参照附图，在附图中，类似的附图标记表示相应的部分：
[0010]图1：示出一种制造超导体的方法的流程图。
[0011]图2A和图2B：用于制造超导体的装置的示意图。
[0012]图3：C
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S
‑
H在高压下的超导性。a，C
‑
S
‑
H体系在高压下随温度变化的电阻，显示了在267+/
‑
10GPa、高达287K的情况下出现超导转变。数据是在升温周期中获得的，以使电子和冷却噪音降低到最低限度。请注意，左Y轴和右Y轴表示来自两个不同的实验运行的结果。插图：显微照片，示出了具有用于电阻测量的四探针构型中的电引线的超导C
‑
S
‑
H样本。b，T
c
的压力相依性，由图3a和图4a的电阻和ac磁化率测量的急剧下降确定。图例中的“ρ”和“χ”分别是电阻率和ac磁化率测量的数值。T
c
从大约140GPa开始随压力增加，在220GPa左右达到平缓，然后急剧增加，在225GPa左右出现不连续。在267GPa下观察到的最高T
c
是287K。在271GPa(测得的最高压力)下的低温伪四电阻(low temperature pseudo
‑
four resistance)，显示了在约280K的超导转变。实线是为了引导视线，且颜色代表不同的实验。红色和黑色的箭头分别代表水的室温和冰点。
[0013]图4：外部磁场下的磁化率和超导转变。a，C
‑
S
‑
H体系在从第二轮运行(run 2)中选定的压力下的ac磁化率的实数部分(nV)与温度的关系显示了在160
‑
190GPa之间的压力下，超导转变有明显的抗磁屏蔽。超导转变在压力下迅速转移到更高的温度。T
c
由转变中点的温度确定。在108GPa下由非超导C
‑
S
‑
H样本确定的背景信号已经从数据中被删减掉。b，在267GPa下H＝0T、1T、3T、6T以及9T(从右到左增加)磁场下的低温电阻行为。插图：220GPa和267GPa下的上临界场与温度的关系，拟合金兹堡一朗道(Ginzburg
‑
Landau)(GL)和常规的韦特哈默(Werthamer)、赫尔方(Helfand)以及霍恩贝格(Hohenberg)(WHH)模型。在220GPa下，研究的最大场为7T。
[0014]图5：C+S+H2混合物的光化学产物的压力诱导拉曼变化。a，C+S+H2混合物的光化学产物的压力诱导拉曼变化显示了在4GPa下的光化学过程之前的硫、碳以及流体氢(黑色)以及在4GPa下的光化学转化的H2S+CH4+H2晶体的光谱证据(蓝色)。请注意，在光化学过程之后，样本中没有硫或碳的拉曼模态，这表明合成了新的分子化合物。插图：在4GPa下合成的透明晶体的显微照片。在约15GPa(红色)下，固体经历了相变，表现为出现了新的晶格模态，H2S模态发生分裂，以及H2振子发生进一步分裂。数个新的晶格模态出现在37GPa(紫色)以上，表明出现了另一个相变。所有的模态在60GPa以上都消失了，这是因为光产物经历了从绝缘体到金属的转变。b，在直到60GPa下，压力与拉曼频率的关系显示了与C+S+H2混合物在4GPa下的光化学相关联的光谱变化，光产物在15GPa下的相变，以及在37GPa下的额外转变。符号对应于实验数据点，而线代表多项式拟合。
[0015]图6：以图3至图5中的结果为特征且在270千兆帕的周围或环境压力下测得的超导体的示例性结构。
[0016]图7：在压缩形成图6的结构之前，包括范德瓦尔斯固体中的三个分子体系的示例性结构(在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造物质组合物的方法，包括以下步骤：(a)提供一个或多个第一条件，在一种或多种材料和氢之间引发反应，以形成多个分子，每个分子包括氢部分和来自所述一种或多种材料的至少两种不同的组成元素；和(b)提供一个或多个第二条件，调谐所述多个分子的原子内和/或分子间距离，以形成包括含有所述组成元素和氢的超导体的固体化合物，其中：所述至少两种不同的组成元素选自S、Li、B、Be、Mg、Mn、Fe、Sc、N、Se、P、Y、C以及La。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一条件包括第一压力和使用电磁辐射的照射。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述一种或多种材料包括硫，并且所述照射使所述一种或多种材料光裂成包括硫的组成元素，以便允许在所述多个分子中的至少一个中的硫和氢部分之间形成键。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其中，所述第二条件包括第二压力。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二压力包括由至少一种化学成分中的至少一种施加的化学压力。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其中，在所述第二条件下形成的超导体包括氢原子或氢二聚体，其分离距离a
h
在1.1埃≤a≤2埃的范围内。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法，其中，所述第一条件包括：用强度大于10毫瓦的电磁辐射照射至少2小时，以及第一压力为3
‑
5千兆帕的范围，或者不会使氢固化的压力。8.根据权利要求1
‑
7中任一项所述的方法，其中，所述第一条件使所述多个分子形成包括客主体结构的范德瓦尔斯固体或晶格中的至少一者。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的方法，其中，所述照射和压力提供了所述第一条件，使所述多个分子之间能够进行分子交换和/或将所述分子的一种或多种组成元素的配位数增加到至少为6。10.根据权利要求1
‑
9中任一项所述的方法，其中，所述一种或多种材料包括含有直径为10微米或更小的颗粒的粉末。11.根据权利要求1
‑
10中任一项所述的方法，还包括选择所述一种或多种不同材料，以形成包括至少三种组成元素的超导体。12.根据权利要求1
‑
11中任一项所述的方法，其中，还包括提供所述氢作为包括原子氢、分子氢、氢聚合物或多价氢化物的氢前体。13.根据权利要求1
‑
12中任一项所述的方法，其中，所述氢前体是甲烷、HS、H2S、硅烷、LiH或用于分子束外延或化学气相沉积的任何其他氢前体。14.一种物质组合物，包括根据权利要求1
‑
13中任一项所述的方法制成的超导体。15.一种用于制造超导体的装置，包括：用于施加至少400千兆帕压力的压力设备；和一耦合到该压力设备上的激光器，其中：所述激光器输出具有可配置的波长和强度的电磁辐射，与使用所述压力设备施加的第一压力相结合，在一种或多种材料和氢之间引发反应，从而形成多个分子，每个分子包括氢部分和来自所述一种或多种材料的至少两种不同的元素；以及
所述压力设备施加第二压力，调谐所述多个分子的原子内和/或分子间距离，从而形成包括含有所述组成元素和氢的超导体的固体化合物，且其中：所述不同的材料各自包括选自S、Li、B、Be、Mg、Mn、Fe、Sc、N、Se、P、Y、C以及La的至少一种组成元素。16.根据权利要求15所述的装置，所述激光器被配置成输出所述电磁辐射，使所述不同材料中的至少一种光裂成包括硫的至少一种组成元素，以便允许在所述多个分子中的至少一个中的硫和氢部分之间形成键。17.根据权利要求15
‑
16中任一项所述的装置，其中：所述压力设备包括具有两个金刚石片的金刚石砧座和包括样本架的垫圈，其中所述垫圈位于所述两个金刚石片之间的界面或接合部处；以及所述激光器与所述压力设备联接，以便通过其中一个金刚石片将所述电磁辐射传送到所述样本架。18.一种制造物质组合物的方法，包括以下步骤：(a)组合包括适合形成氢的主体结构的组成元素的两种或多种组分；(b)将所述氢和所述两种或多种组分装入压力设备，以便使所述氢与所述两种或多种组分接触；(c)对所述压力设备中的所述氢和所述两种或多种组分施加第一压力；(d)用电磁辐射加热或照射所述两种或多种组分和所述氢，其中所述第一压力和照射在所述两种或多种组分和氢之间引发反应，以便形成多个分子，每个分子包括氢部分和来自所述两种或多种组分的至少两种不同的组成元素；(e)在第二压力下压缩所述多个分子，以形成固体化合物；(f)测量所述固体化合物的一个或多个特性，以确定所述固体化合物是否是超导体；(g)从所述组分的列表中选择所述组分，并对所述列表中的两种或多种组分的每个组合重复步骤(a)
‑
(f)；以及(h)选择形成在最低第二压力下表现出超导特性的固体化合物的两种或多种组分的组合，以获得“选定的组合”；(i)用所述选定的组合重复步骤(a)
‑
(f)，改变包括所述第一压力、所述电磁辐射的波长、所述电磁辐射的强度、照射的持续时间以及每种组成元素的量中的至少一者的条件，以识别在所述最低第二压力下或不施加包括高于大气压力的周围压力的第二压力时实现所述固体化合物的超导特性和稳定性的条件。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述组分的列表包括含有选自Li、B、Be、Mg、Mn、Fe、Sc、N、Se、P、Y、C以及La的组成元素的组分。20.根据权利要求18
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19中任一项所述的方法，其中，所述步骤(d)形成包括所述多个分子的范德瓦尔斯固体。21.根据权利要求18
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20中任一项所述的方法，其中，所述步骤(d)中的照射和第一压力使所述多个分子之间能够进行分子交换和/或将所述分子的一种或多种组成元素的配位数增加到至少为6。22.根据权利要求18
‑
21中任一项所述的方法，其中，所述组分包括含有直径为10微米或更小的颗粒的粉末。
23.根据权利要求18
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22中任一项所述的方法，还包括选择三种或多种组分，以便形成包括至少三种组成元素的固体化合物。24.一种超导物质组合物，包括使用包括根据权利要求18
‑
23中任一项所述的方法的化学和/或成分调谐而制成的固体化合物。25.一种制造物质组合物的方法，包括以下步骤：压缩分子，以便形成包括至少两种不同化学元素和氢的超导物质组合物，其中包括氢原子或氢二聚体的氢之间的距离在1.1埃≤a≤2埃的范围内。26.根据权利要求1
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13或18
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23中任一项所述的方法，其中，所述物质组合物在温度为至少150开尔文和周围压力低于180千兆帕的情况下表现出超导性。27.根据权利要求14所述的物质组合物，其中，所述超导体在温度为至少150开尔文和周围压力低于180千兆帕的情况下表现出超导性。28.根据权利要求15
‑
17中任一项所述的装置，其中，所述超导体在温度高于150开尔文和周围压力低于180千兆帕的情况下表现出超导性。29.根据权利要求1
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13或18
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23中任一项所述的方法，其中，所述物质组合物在温度高于170开尔文的情况下表现出超导性。30.根据权利要求14所述的物质组合物，其中，所述超导体在温度高于170开尔文的情况下表现出超导性。31.根据权利要求15
‑
17中任一项所述的装置，其中，所述超导体在温度高于170开尔文的情况下表现出超导性。32.一种物质组合物，包括：固体氢化物，表现出超导性：在周围压力低于180千兆帕、温度为至少150开尔文的情况下表现出超导性，或在温度为至少261开尔文的情况下表现出超导性。33.根据权利要求32所述的物质组合物，其中，所述固体氢化物在温度为至少160开尔文、至少170开尔文、至少180开尔文、至少200开尔文、至少277开尔文和/或至少280K的情况下表现出超导性。34.根据权利要求32
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33中任一项所述的物质组合物，其中，所述固体氢化物包括选自S、Li、B、Be、Mg、Mn、Fe、Sc、N、Se、P、Y、C以...

【专利技术属性】
技术研发人员：利亚拉加马格，
申请(专利权)人：代表内华达大学拉斯维加斯分校的内华达高等教育系统的摄政委员会，
类型：发明
国别省市：