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新闻ˌ消息 2023年11月16日 尽管存在争议，超导体研究为何处于“黄金时代” 上周的撤回对室温超导的研究是一个打击，但物理学家对该领域的未来持乐观态度。 戴维·卡斯特尔韦奇
一个磁铁悬浮在氮冷却的超导体钇钡铜氧上。鸣谢:大卫·帕克大学/IMI大学/伯明翰大学高技术委员会/科学图片库 《自然》杂志上周的一篇撤回文章终结了室温超导的最新说法——研究人员表示，他们已经制造出一种可以导电的材料，不会产生废热，也不需要制冷。 在撤回声明之前，今年早些时候，一个更无耻的关于所谓的超导体LK-99的说法在社交媒体上疯传。 尽管这些引人注目的挫折，超导研究人员说，该领域正在享受某种程度上的复兴(见“时间轴:超导里程碑”)。“这不是一个垂死的领域——恰恰相反，”Lilia Boeri说，她是罗马Sapienza大学的一名物理学家，专门从事计算预测。计算机模拟预测未发现物质的存在和性质的新能力在一定程度上推动了这一进展。 大部分兴奋都集中在“超级氢化物”上，这种富含氢的材料只要保持在高压下，就会在越来越高的温度下表现出超导性。收回的《自然》杂志论文的主题据称是这样一种材料，由氢、镥和氮制成。但是过去几年的工作已经发现了几类可能具有革命性性质的材料。艾奥瓦州立大学艾姆斯和艾姆斯国家实验室的物理学家保罗·坎菲尔德说:“看起来我们真的处在能够发现许多新超导体的危险边缘。”。 冲浪电子 当固体中的电子结合形成“库珀对”时，超导性就产生了。这使得比通常情况下更多的电子在材料内部同步移动，从而使电子能够携带电流而不产生废热。 在“传统”超导体中，当电子被材料中的振动推在一起时，就会形成库珀对，这是机械波，库珀对就像冲浪运动员一样在波浪上滑行。直到21世纪中期，研究人员普遍认为这种机制只能在极低的温度下工作，最高可达40开尔文左右。由单一元素构成的超导体都需要低于10开尔文的温度才能展现这种特性。二硼化镁是一种传统的超导体，由日本冈山大学的Jun Akimitsu领导的团队在20013年发现，将最高温度记录提高到了39开尔文。 超氢化物的基础是在2004年奠定的，当时已故的理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特预测，如果在足够的压力下迫使氢原子更加靠近，某些元素会与氢形成化合物，这种化合物的超导温度比任何其他材料都高4。 根据Ashcroft的理论，氢原子的接近会增加机械振动的频率，这将使材料变得更热，同时保持其超导性。但有一个问题:即使存在，这些物质中的一些也需要与地核相当的压力。
纽约布鲁克海文国家实验室用于制造超导体的设备。鸣谢:大卫·帕克大学/IMI大学/伯明翰大学高技术委员会/科学图片库 在钻石砧内对微小样品进行高压实验并测量其结果的进展导致了2015年的突破，当时德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Mikhail Eremets及其合作者首次在超级氢化物硫化氢中证明了超导性。从那以后，科学家们预测了该家族中其他几种超导材料的存在——其中一些已经被发现，包括被称为笼形包合物的钙基笼状结构。 目前，任何种类的“最热”超导体被认为是十氢化镧6，它是超级氢化物类的一员，被证明在高达至少250开尔文的温度下是一种高压常规超导体。 高级模拟 Eremets和其他人说，理论、模拟、材料合成和实验的相互作用对进展至关重要。从21世纪初开始，模拟预测具有某种晶体结构和化学成分的材料是否可能是超导体，以及在什么温度下它会表现出这种特性成为可能。但下一个重大转变是在那个年代后期引入了算法，不仅可以预测材料的属性，还可以预测给定的元素组合可以形成什么材料。“在那之前，关键的一点缺失了:首先要理解一种化合物是否能够形成，”Boeri说。 2015年发现硫化氢是一种超导体，这与前一年进行的计算机模拟是一致的。莫斯科斯科尔科沃科学技术研究所的材料科学家Artem Oganov是结构预测算法的先驱，他说，如果没有结构预测方面的快速进步，富氢超导体的发现“可能再过一个世纪也不会发生”。特别是，他的“进化”算法找到了在给定压力下能量最低的原子构型，因此最有可能形成并保持稳定。 模拟对于预测材料在高压下的行为尤其重要，在高压下，原子被相互推得如此之近，以至于它们不仅开始通过外层电子相互作用，还开始与更多的内层电子相互作用，从而将化学教科书的教条抛到了九霄云外。这方面的一个例子是六氢化锂，它只能在高压下存在。“任何上普通化学课的人都会告诉你，像LiH6这样的东西不可能是稳定的，”纽约布法罗大学的计算化学家伊娃·祖雷克说。 时间轴:超导里程碑 1911年观察到超导现象 物理学家海克·卡末林·昂内斯发现，一旦“转变温度”低于3开尔文，固体水银的电阻就会降到零。随后发现了其他几种纯金属，它们的转变温度都低于10开尔文。 1957年超导现象被解释 理论物理学家约翰·巴丁、莱昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗用他们名字的首字母BCS解释了超导性。 1986年铜酸盐发现 两位IBM物理学家Georg Bednorz和Alexander Müller发现了铜基材料在35开尔文下的超导性——这是第一个无法用BCS理论解释的“非常规”超导体。在随后的几年中发现了许多铜酸盐，其中一些的超导温度高达133开尔文。 2001年创纪录温度 明光俊在二硼化镁中发现超导性。它的转变温度为39开尔文，仍然是环境压力下传统超导体的最高温度。 2004年超级氢化物预测 尼尔·阿什克罗夫特预测，某些高压下的富氢材料应该在非常高的温度下表现出常规的超导性。 2006铁基超导体 由材料科学家Hideo Hosono领导的一个小组意外地在一种由铁、镧和磷制成的材料中发现了超导性。这种铁基超导体以一种独特但仍不为人所知的机制工作。 2015年超级氢化物成功 Mikhail Eremets和他的同事在250开尔文的硫化氢中发现了超导性的证据。这种超导体和其他超氢化物超导体需要至少一百万个大气压的压力。 2019年镍酸盐发现 物理学家哈罗德·黄和他的同事发现一种镍基的非常规超导体。 到目前为止，寻找与氢结合产生超导性的最佳元素的理论家们已经尝试了元素周期表的大部分内容。他们还开始模拟不止一种元素与氢的组合，这在计算上要困难得多，需要超级计算机。Oganov说，给出最佳结果的元素似乎是表格左侧的金属，如钙、锂和镧。这项工作的最佳元素之一预计是重金属锕。检验这一理论将会很困难——锕系元素极其稀有且具有高度放射性。 在他们的模拟中，Boeri和其他人还对几种含硼化合物进行了实验，其中实际的晶体结构导致氢原子彼此非常接近。模拟表明，这种“化学压力”可以减少对外部压力的需求，同时仍然实现晶体的高振动频率——保持库珀对在高温下存活。 或许更有希望的是具有共价键的结构，在没有压力的情况下以高频率振动。Boeri和她的合作者进行的模拟研究发现，一些结构类似于超导体二硼化镁的材料可以在相当高的110开尔文8下具有超导性。虽然离室温很远，但这已经足够温暖，不需要昂贵的液氦低温来维持，而是允许基于液氮的更简单的冷却系统。 “环境压力和室温是很困难的——没有人会马上想到它们，”Eremets说。但他补充说，在创造更多能在液氮温度下工作的超导体方面取得的任何进展都将是“一笔真正的大交易”。 未知机制 对“非常规”超导体的兴趣也重新燃起，这些超导体中库珀对的形成不是因为固体中的机械波，而是通过一种未知的机制。这些材料包括在20世纪80年代首次发现的被称为铜酸盐的铜氧基材料。在超级氢化物出现之前，铜酸盐是迄今为止温度最高的超导体。它们价格昂贵且难以操作，但已经找到了技术先进的应用，并可能对未来的聚变反应堆和粒子加速器至关重要。从根本上来说，它们仍然是神秘的。理论物理学家认为，理解铜酸盐中电子的复杂行为是他们领域中最棘手的问题之一。 2019年发现了一类新的非常规超导体，这让人们重新乐观起来。这些“镍酸盐”是基于镍，而不是铜，加州斯坦福大学的物理学家李奎浩和他的合作者在7月9日发表的结果表明这两个家族有相似的行为。李说，研究镍酸盐可以帮助研究人员最终阐明铜酸盐是如何工作的。“在镍系统中寻找超导性的全部动机是试图在其他材料中建立类似铜酸盐的超导体。” 不管是传统的还是非常规的，找到一种在环境条件下——压力和温度都可以——都能工作的超导体可能最终被证明是不可能的。中国上海高压科学技术高级研究中心主任毛河光说，“你永远不能说永远”，但找到这种材料的可能性似乎很小。 Oganov说，超级氢化物的突破令人鼓舞。“我们知道，绝对没有物理上的原因不能实现室温超导。” “现在真的是超导探索的激动人心的黄金时代，”坎菲尔德说。doi:https:///10.1038/d41586-023-03551-z 参考
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