首個室溫超導體登上 Nature 封面！15°C 刷新紀錄，超高壓下展現超導特性

室溫超導之路，漫漫其修遠兮。

近年來，儘管已經陸續有不少科學家聲稱實現了「室溫超導體」，但國內外絕大多數的超導科研者往往都持如上態度。

但如今，這種態度應該要轉變了——美國科學家們創造了一種氫化物材料，它竟然能在 15°C 的溫度下無電阻地導電！

在最新一期的《自然》雜誌（Nature）封面上，也寫著一串激動人心的英文單詞：Superconductivity finally reaches room temperature（室溫下也終於能實現超導特性了）。

「室溫超導」有何意義？

首先回答一個問題：15°C 的溫度下出現超導現象，這意味著什麼？

實際上，這是物理領域的一項重大突破！

上述所說的超導，是指超級導電——超導體或超導材料在某一溫度下電阻為零。但嚴格來講，只有同時具有上述零電阻效應和完全抗磁性兩種特性的物質，才是科學意義上真正的超導體。

完全抗磁性通俗來講就是對磁場的排斥現象，於 1933 年由 Walter Meissner 和 Robert Ochsenfeld 兩位物理學家對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發現，這種現象在科學界有個專業的名字——邁斯納效應（Meissner effect）。

究其歷史，科學家們最初發現超導體是在近一個世紀前。

1911 年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人利用液氦，將金和鉑冷卻到了 4.3K（-268.85 攝氏度）以下，發現鉑的電阻保持在一個常數水平。接著，他們將汞冷卻到 4.2K（-268.95 攝氏度）以下，發現其電阻幾乎為零，而這正是物質的超導性。

1913 年，Heike Kamerlingh Onnes 又發現：錫和鉛也和汞一樣具有超導性。

同年，為表彰其對低溫物質特性的研究，Heike Kamerlingh Onnes 獲諾貝爾物理學獎，後世也將他視為是低溫物理學的奠基人。

根據上述描述可以看到，「超導」這個詞出現時往往伴隨的是一個特定溫度，而這個溫度一般都是很低的，比如：

• 1973 年，科學家發現超導的鈮鍺合金，其臨界超導溫度為 23.2K（-249.95 攝氏度）；

• 1986 年，科學家發現一種陶瓷性金屬氧化物具有高溫超導性，臨界溫度可達 35K（-238.15 攝氏度），由此獲得了 1987 年的諾貝爾物理學獎；

• 1988 年，科學家發現汞系超導材料的臨界溫度達 135K（-138.15 攝氏度）；高壓條件下其臨界溫度將能達到 164K（-109.15 攝氏度）；

• 2015 年，科學家發現硫化氫在極高壓下在 203K （-70.15 攝氏度）的溫度下會發生超導相變，這一發現已經是當時已知最高溫度的超導體了。

在實驗物理學中，一個長期存在的挑戰便是室溫超導，能真正發現「室溫超導體」的科研團隊可以說是諾獎級別的人物了。

據知乎答主「中國科普博覽」所說，近年來已經陸續有不少科學家聲稱實現了「室溫超導體」，但實際情況都是證據不足甚至是造假——這些研究中聲稱發現的超導體被科學界稱為「可疑超導體」（Unidentifided Superconducting Objects）。

可見，能在 15°C 的溫度下發現超導現象，絕對是一大裡程碑事件。

首個室溫超導體

來具體看看人類發現的首個室溫超導體。

這一登上 Nature 封面的成果，來自於羅徹斯特大學（工程與應用科學學院機械工程系、羅徹斯特大學物理與天文學系）和內華達大學拉斯維加斯分校（化學與生物化學系、物理與天文學系）兩所美國名校與英特爾公司。

2020 年 10 月 14 日，論文正式發表於 Nature，題為 Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride（碳-硫-氫化合物的室溫超導性）。

物理學界的傳承

早在 2015 年 8 月 17 日，一篇重磅論文發表於 Nature。論文顯示，高壓下，氫和硫的化合物在 −70℃ 時出現了超導現象。

3 年後，又有科學家發現，氫和鑭的化合物在 −13℃ 時具有超導性。

可以說美國科學們此次的研究是這兩大成果的一種「傳承」——化合物可在高達 287.7 ± 1.2K（約 15 攝氏度）的溫度下作為超導體運行，而這種化合物正是由氫、碳和硫組成。

據了解，這也是超導性首次出現在由三種元素組成的化合物中。對此，論文合著者之一、拉斯維加斯內華達大學物理學家 Ashkan Salamat 表示：

加入第三種元素，極大地拓展了未來尋找新型超導體的實驗的思路。我們開闢了一個全新的探索領域。

不僅如此，這項研究還證實了康奈爾大學理論物理學家 Neil Ashcroft 幾十年前的預測：富氫材料可能會在比我們想像得高得多的溫度下實現超導。

研究成本不菲

實驗中，研究團隊用到了金剛石砧，金剛石砧由一對金剛石對頂砧和密封墊組成，二者之間可以產生約為幾百萬個大氣壓那麼大的壓力。

如下圖所示，兩顆尖對尖的鑽石正是實驗工具。

值得一提的是，研究並不總是一帆風順的——該團隊總共用廢了數十對價值 3000 美元的鑽石。

正如團隊所說：

鑽石的預算是我們研究過程中最大的問題。

上述突破性發現的得來過程大致是：

1. 將碳、氫和硫的混合物放入金剛石砧中。

2. 用雷射觸發混合物的化學反應，觀察晶體的形成。

3. 降低溫度，發現通過材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經具有超導性。

4. 增加壓強，發現超導轉變發生的溫度越來越高。

實驗結果最終表明，在達到 267 萬個大氣壓（海平面大氣壓的 260 萬倍）時，化合物在 15°C 時的電阻為零。

對於這一溫度，劍橋大學材料科學家 Chris Pickard 表示，15°C 應該是一個較低的房間溫度，也許是維多利亞時代的一間小屋。

Chris Pickard 肯定了這項研究：

人們永遠都在談論室溫超導，但他們可能並不十分了解，首個室溫超導體是在如此之高的壓力下發現的。

神秘的化合物

雖然已經實現了物理領域的一個重要突破，但研究團隊也認為，關於這種物質還有很多未知之謎。而在 Nature 對其研究的大篇幅報導中，也將這種化合物稱為 Mysterious material（神秘物質）。

研究人員表示：

還有很多事情要做，甚至這種晶體的確切結構和化學式也尚不清楚。而給的壓力越大，樣本量將越小，這就是我們的測量過程真正具有挑戰性的原因。未來希望製造出無需高壓且穩定的超導體。

對於這一成就，2015 年那篇論文的合著者之一、來自德國馬克斯·普朗克化學研究所的物理學家 Mikhail Eremets 也表示：

這項研究提供了關於室溫超導的令人信服的證據，但我還是希望能看到更多的實驗原始數據。

磁懸浮列車、核磁共振、超導電纜、汽車馬達、量子計算晶片......成就了一大批理論物理學家甚至諾獎得主的超導體在現實中已有了眾多應用場景，但在實驗上的進展卻依舊極其緩慢。或許，這項室溫超導體的發現將為物理學界帶來新變革。

引用來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

https://www.zhihu.com/question/22636832

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