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本篇文章正文共2807字 预计阅读时间约为9分钟 自从1911年首次发现超导现象以来，实现室温超导就一直是科学家们的目标。近日，《自然》杂志的一篇最新论文声称，他们向着室温超导的目标迈出了一大步。研究团队开发了一种全新的氮掺杂氢化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH）体系，可以在21℃和接近1万个大气压的条件下实现超导。 在等待学界对该论文进行验证前，我们有必要对一些基础概念有所了解。 超导材料是啥？有啥用？ 超导现象最早于1911年由荷兰莱顿大学的H.K. Onnes研究团队发现——金属汞在4.2 K以下电阻突然消失为零，Onnes将其命名为 “超导”，寓意“超级导电”（图1左）。 随后的百余年时间里，各类超导材料不断被发现，目前已知的超导材料有成千上万种，覆盖单质金属、合金、金属间化合物、过渡金属硫族化物/磷族化物甚至有机化合物等 。 严格来说，判断一个材料是否属于超导体，必须有两个独立的电磁特性判据：1. 是否具有绝对零电阻；2. 是否具有完全抗磁性。后者由德国科学家Meissner等发现，又称为Meissner效应，即磁场下超导体有完全抗磁响应，其内部磁感应强度B为零，对应的磁化率χ为-1。  图1 超导体的零电阻效应和磁场下的行为 （来自《超导“小时代”》） 超导材料对外界磁场有不同响应，可以简单分为两类。绝大部分超导体属于第二类，它们在某些磁场-温度区间（称之为“混合态”）体现出“部分抗磁性”（即磁化率不到-1），仅在很低温度且很弱磁场下才会有“完全抗磁性”，所以在很多情况下验证超导电性的存在，并不一定要求χ=-1（尽管此时才能被称为“超导态”），但必须独立测量到足够强的抗磁信号（χ为负值）。对于这类超导体而言，即使在部分抗磁的混合态下，其零电阻效应也能够保持住，直到磁场足够强达到上临界场时，才会彻底被破坏恢复到有电阻的“正常态”（图1右），所以是否具有完全抗磁状态，对超导体在零电阻状态下的应用影响不大。 实验上，零电阻的测量相对容易实现，而抗磁性的测量则相对困难一些，比如高压环境下有很多的附属装置带来很大的背景信号，薄膜或纳米颗粒等材料的总量很少导致信号太弱等，部分有机或含水等抗磁物质的材料会带来假信号等，因此大部分超导现象的发现都是以零电阻效应为主，抗磁效应为辅。 超导材料因其绝对零电阻和完美的抗磁特性等特殊物理性质，几乎在所有电和磁相关的领域都有巨大的应用价值。超导本质上是微观电子的配对相干凝聚，是一种宏观量子现象，在量子器件方面也有许多重要用途。超导物理的研究让人们认识到物质中复杂相互作用出现的层展现象，可能有的超越了传统理论框架，对基础物理的发展有重要推动作用。 室温超导，为何难以实现？ 当前，超导材料特性的发挥都需要维持在极低的温度下。这里的低温指的不是冬天我们经历的那种，而是零下200多摄氏度。因此，维持超导状态需要高昂的成本。一旦能在室温下实现超导，超导材料的应用范围将出现飞跃式的拓展。能否实现室温超导材料，也是领域内最大的挑战之一。 目前，常压下的超导临界温度记录，是1993年发现的Hg-Ba-Ca-Cu-O体系， 超导临界温度Tc为134 K，该材料在高压下的Tc可提升到165 K（图2）。人们还尝试把元素周期表的单质几乎都压了一遍，普遍发现Tc可进一步提升，比如单质Ca的Tc在高压下可以达到29K，远超常压下的单质Tc记录（即Nb的Tc=9 K）。因此高压是提高超导温度的重要途径，也是探索室温超导的最佳方案之一。需要特别指出的是，于物理学家而言，室温是有明确定义的，即300K，约相当于27℃。实际生活中比较舒适的 “室温” 大致是15℃-25℃，也就是北方冬天供暖标准，和夏天空调建议温度。  图2 各类超导体发现的年代和临界温度，插图为典型的材料结构（来自《中国科学》） 氢化物或许能助科学家夺取“圣杯” 理论上预言，金属氢就极可能是室温超导体，但是前提是要在百万级大气压（100 GPa以上）的极端高压下合成。如此高的压力，需要借助世界上最硬的物质——金刚石来实现，在一对磨平端面的金刚石形成 “对顶砧” 再使劲加压。由于氢本身十分活泼、易燃易爆，而且在高压下会发生 “氢脆” 现象——因为氢元素渗入金刚石而导致硬度突然降低碎裂。金属氢的实验，从一开始就是巨大的挑战，也誉为是高压领域的 “圣杯”，历经多年余年都未能拿下。之前的科学家取得的一些成果也受到质疑。 既然在金属氢中实现室温超导非常困难，是否可以另寻思路？ 其实科学家早就意识到了，一些氢的化合物有可能不需要那么高的压力，就能实现金属化甚至很高温度的超导。因为其内部由于元素间化学键的存在，会产生足够大的 “化学压力”，如果化学压力刚好与外部压力是同等正向效应，就不再需要那么高的外部压力，实验也相对容易成功。 不过，新的困难也出现了，那就是在高温高压下，氢几乎可以和绝大部分元素形成化合物，而且结构和物性都非常复杂难以预测。在实验开始之前，先要依赖于理论筛选出合适的氢化物，并大致知道需要多大的压力才能超导，最好能预测出该化合物的Tc，否则靠 “瞎猫碰见死耗子” 的模式去探索的话，高昂的实验成本、极具挑战的实验技术和大量的时间精力消耗都让科学家难以承受。 幸运的是，对于二元氢化物，一些数值计算软件就能给出较为准确的结构预测，进而计算出材料的基本物性。中国的吉林大学物理学院开发的CALYPSO结构搜索软件就是重要代表，中国科学家据此预言出一系列的金属氢化物超导体，并给出可能的Tc，其中H-S化合物可能实现80 K甚至204 K的超导电性。 果不其然， 在2014年底德国马普化学研究所的 A. P. Drozdov 和 M. I. Eremets 就宣布在硫氢化物中发现190 K 超导零电阻现象，对应压力为150 GPa。在历经8个多月的不断质疑、调查、重复实验、积累数据之后，论文终于在2015年8月17日发表于Nature，此时他们已经获的了220 GPa下203 K的Tc历史新纪录，并且提供了抗磁信号的测量结果（图3）。Eremets本人也经受住了业界的广泛质疑和讨论，相关的实验结果被中国、美国和日本等国科学家重复验证，H-S化合物的组分和结构也被确定，后续也不断有相关的论文发表。  图3 Drozdov和Eremets发现高压下硫氢化物的超导电性 此后，高压氢化物的超导研究变的如火如荼，人们陆续在Th、Pr、Nd、Y、La、Ce、Ba、Sn、Ca等元素与氢的化合物中找到了超导电性，Tc从几K到上百K都有（图6）。其中中国科学家发现CaH6在160~180 GPa下达到了Tc=210 K，美国/德国科学家发现LaH10在188 GPa下达到了Tc=260 K。 理论计算对发现这些材料的高压超导电性起到了非常关键的指导作用。实验技术上的挑战来自于这些化合物需要在高温高压下合成并进一步加到极端高压再测量，用一束极小的激光打入金刚石对顶砧内部充分加热，一不小心就有爆炸的危险。在如此极端的条件下，面对金刚石内部那极少的一丁点儿样品，如何测定材料的化学结构，还要准确测量到电、磁、光、热等方面的物理性质，只能是难上加难。 最新探索 近日，“室温超导”最新论文登上《自然》杂志。虽然仍然远高于大气压，但在降低了两个量级后，这样的压强已经进入实际应用中能够达到的范围了。  研究能够在21℃、10 kbar（近似于1万个标准大气压）的条件下生成超导材料，向着室温超导的目标迈出了重要一步。 目前来看，这一研究成果结论最终是否能得到学术界的认可，需要其他实验组来重复检验。 倘若人们真的能够实现常压下的室温超导，迎来大规模应用，或许那时，在家里舒舒服服地躺在室温超导磁悬浮沙发上休息，午饭后坐上时速3000 公里以上的真空管道超导磁悬浮列车去巴黎喂个鸽子等之类的奇思妙想，将成为触手可及的现实。 本文综合自《“室温超导” 论文撤稿早有伏笔？两年网络论战与顶刊的一地鸡毛》（作者：罗会仟 “知识分子”公众号2022年9月28日文章）、《室温超导重大突破！遭撤稿半年后，他们的研究再次登上<自然>》（作者：药明康德团队 “学术经纬”公众号2023年3月9日文章） |
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