​钯可能是超导体新时代的关键，钯酸盐可能是新型半导体的解决方案

钯可能是超导体新时代的关键，钯酸盐可能是新型半导体的解决方案

——近年来，随着镍酸盐的发现，超导的新时代已经开始。

——超导体在常温常压下仍能保持超导性，这将彻底改变我们发电、输电和用电的方式。

——钯基材料(“钯酸盐”)可能是一种新型半导体的解决方案。

问题是我们如何才能生产出最好的超导体，即使在最高的温度和环境压力下也能保持超导性? 维也纳工业大学与日本的合作表明，存在一个超导的“金发姑娘带”，其中钯基材料(“钯酸盐”)可能是解决方案。

超导体的新时代可能即将开始: 在20世纪80年代，许多超导材料(称为铜酸盐)是以铜为基础的。然后，镍酸盐被发现——一种基于镍的新型超导材料。

这是现代物理学中最激动人心的比赛之一。近年来，随着镍酸盐的发现，超导的新时代已经开始。这些超导体是以镍为基础的，这就是为什么许多科学家说“超导研究的镍时代”。在许多方面，镍酸盐与铜酸盐相似，铜酸盐是在20世纪80年代发现的，以铜为基础。

铜(Cu2+)、镍(Ni+)、钯(Pd+)超导体的能级示意图。图片来源： 维也纳工业大学。

现在，一类新的材料开始发挥作用。在维也纳工业大学和日本大学之间的合作中，可以在计算机上比以前更精确地模拟各种材料的行为。存在一个“金发姑娘区”，在这个区域超导性表现得特别好。这个区域既不是镍也不是铜，而是钯。这可能会在超导研究中迎来一个新的“钯酸盐时代”。研究结果发表在科学杂志《物理评论快报》上。

01 寻找更高的转变温度

在温暖的温度下，超导体的行为与其他导电材料非常相似。但是当它们被冷却到某个“临界温度”以下时，它们发生了巨大的变化，它们的电阻完全消失，突然间它们可以毫无损失地导电了。这个极限，即材料在超导和正常导电状态之间变化的极限，被称为“临界温度”。

维也纳工业大学固态物理研究所的卡斯滕·赫尔德教授说:“我们现在已经能够计算出一系列材料的‘临界温度’。通过我们在高性能计算机上的建模，我们能够高精度地预测镍酸盐超导的相图，正如后来的实验所显示的那样。”

许多材料只有在绝对零度(-273.15摄氏度)以上才会超导，而其他材料即使在更高的温度下也能保持超导特性。如果超导体在常温常压下仍能保持超导性，将彻底改变我们发电、输电和用电的方式。

然而，这种材料还没有被发现。然而，高温超导体，包括铜类超导体，在技术上发挥着重要作用，例如，在传输大电流或产生极强磁场方面。

02 铜? 镍吗? 或钯?

寻找最好的超导材料是困难的。有许多不同的化学元素都有问题。你可以把它们组合成不同的结构，你可以添加微量的其他元素来优化超导性。

赫尔德教授指出:“为了找到合适的候选者，你必须在量子物理层面上理解电子如何在材料中相互作用。”

这表明电子的相互作用强度存在一个最佳值。相互作用一定要强，但也不能太强。中间有一个“黄金地带”，可以达到最高的转变温度。

03 钯酸盐作为最优解

铜酸盐和镍酸盐都无法达到介质相互作用的黄金地带，但一种新型材料——所谓的钯酸盐——可以击中靶心。

维也纳工业大学教授解释说:“在元素周期表中，钯的位置比镍低一行。性质是相似的，但那里的电子平均离原子核和彼此的距离更远，所以电子相互作用更弱。”

模型计算显示了如何获得钯数据的最佳转变温度。“计算结果非常有希望，” 维也纳工业大学教授评论道。“我们希望我们现在可以用它们来启动实验研究。如果我们有一种全新的、额外的钯酸盐材料，可以更好地理解超导性，并创造出更好的超导体，这可能会推动整个研究领域的发展。”

这看起来是个非常好的消息。它揭示了对超导性发生时发生的事情的理解越来越好。这就是通往超导未来的道路。

随之而来的问题是钯不是一种低成本的元素，也没有已知的巨大储量。人们可能会记住，对它的需求也没有以数百万吨来衡量。所以这个问题是如何解决的还不能高度预测，可能还需要一段时间才能很容易地得到好的数字。

认为超导有一天会有商业用途是合理的，问题似乎与经济应用有关。

这肯定会增加人们对冶金学的兴趣。超导的研究还很年轻。设计目标得到了更好的理解，肯定会有更多的进展和更频繁的突破，这项技术才刚刚起步。