人類首次實現室溫超導!研究登上《自然》封面

據最新一期《自然》的封面文章，美國羅切斯特大學的科學家們在260萬個大氣壓下，成功創造出了臨界溫度約為15℃的室溫超導材料，這是人類首次實現室溫超導。

圖片來源：Adam Fenster / University of Rochester

超導體是一種比常規導體更為優越的無損耗導電材料。現有的超導材料大都需要在極低溫下才能工作，這大大限制了它們的大規模應用。因此，找到一種室溫超導材料，是物理學家長久以來的夢想。而今，我們迎來了人類探索超導之路上的裡程碑事件。

讓電阻消失

其實，現在距離首次發現超導現象足足有100多年了。早在1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已經發現，當溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時，浸泡在液氨裡的金屬汞的電阻會消失。

但直到1957年，才有了第一個真正能描述超導現象的理論——BCS理論。該理論由美國科學家約翰·巴丁（John Bardeen）、裡昂·庫伯（Leon Cooper）和約翰·施裡佛（John Schrieffer）基於「波粒二象性」建立。他們認為，金屬外層自由電子在有電壓時，會流經晶格點陣形成電流，但通常情況下，這種晶格點陣有缺陷，會因熱振動使電流產生阻礙。而在超導體中，電子會被束縛形成「庫伯對」（Cooper pair），從而產生集體凝聚的波，這種波不同於自由電子，可以無阻礙地穿越晶格點陣。

「庫伯對」就仿佛是電子在互相一起舞蹈，但這種和諧的情況會隨著溫度的升高而逐漸消失。而如何讓「庫伯對」在溫度很高的情況下也能穩定存在呢？尼爾·阿什克羅夫特（Neil Aschcroft）在1968年給出了答案，氫原子或許能成為超導體運作中的有力助手。氫原子體積很小，能使得電子在晶格點陣中距離得更近，而輕質量的氫原子也能使凝聚波傳播更快，使「庫伯對」更緊密。

但是只單純用氫，需要1000萬個大氣壓才能實現超導體目標，如果添加另一種元素，讓氫嵌入其中，就能使條件變得不這麼苛刻。這也促成了之後大家對氫化合物的大量測試，包括CaH6、H2S、H3S已經被相繼發現能在「高溫」條件（>40K）下實現超導性。

2019年，人類與室溫超導更進一步。當時美國科學家馬杜裡·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）的研究組宣布，十氫化鑭（LaH10）在190萬個大氣壓下，可以在逼近室溫的260K以上出現超導性，這是曾經超導臨界溫度的最高紀錄。

羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）與索馬亞祖魯一樣，也一直在尋找最合適的氫化合物。而距離索馬亞祖魯的研究僅一年，迪亞斯就用一種含碳的硫化氫刷新了超導體臨界溫度的記錄。他的團隊在一種用於在極高壓下檢測微量材料的研究裝置——金剛石對頂砧（diamond anvil cell, DAC）中，將氫、碳和硫結合在一起，以光化學方法合成了含碳的硫化氫系統（carbonaceous sulfur hydride），它的最大臨界溫度為287.7±1.2K（約15℃），此時的壓力是267±10千兆帕，約為海平面大氣壓的260萬倍。

三元素體系的超導體

迪亞斯在採訪中告訴《環球科學》：「之前從未有人預測到過這種C-S-H三元體系的超導性，我們在這個領域摸索了很多年，整個團隊也都按照『模仿金屬氫狀態』的思路來尋找超導體，」這也是之前預測可能尋找到常溫超導體的方向，因此迪亞斯認為，此次的發現既是意料之外，又在情理之中。

Ranga Dias（中）和研究團隊。圖片來源：羅徹斯特大學

除了開始提到的氫原子能更可能提供「庫伯對」，迪亞斯還表示，為了獲得高溫超導體，也需要更強的化學鍵和較輕的元素，這是兩項最基本的標準。而氫恰是最輕的元素，氫鍵正是最強的鍵之一。

理論上，金屬氫具有較高的德拜溫度和強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的。但是需要極高的壓力，才能使純氫變成金屬態。於是，迪亞斯的實驗室一直在尋求方法上的突破。最終，他們選擇用富氫材料來模仿純氫的超導相態，而不是直接使用純氫。要使得這種富氫材料金屬化，並不需要太高的壓力。

例如，迪亞斯的實驗測試了釔和氫的組合，形成的氫化釔在約262K（約-11.15℃）的高溫（當時的最高紀錄）和約177萬大氣壓之下表現出超導性。但最終奇蹟還是出現在三種元素的組合上。

他們將碳元素和硫元素以1:1的摩爾比混合併研磨成顆粒，放上DAC後充入氫氣。隨後，將該起始物料壓縮至4千兆帕，並用雷射照射數小時，以此使S-S化學鍵斷裂，生成的硫自由基與氫氣反應形成。加入甲烷（CH4）後，混合物中會發生分子交換，構成一個特殊系統，而在極端條件下會形成超導化合物。而正是這種超導化合物突破了室溫的界限。

這樣聽起來似乎並不太難，但迪亞斯坦言，富氫材料的製造過程就非常繁瑣，大部分合成材料需要在低壓下製造，而有一些卻需要高溫高壓的不可控制造條件來合成。而如何引入恰到好處的硫化氫和甲烷也是實驗成功的關鍵，也是最困難的一步。

迪亞斯告訴《環球科學》，要想在高溫下維持庫伯對，氫的含量必須「剛剛好」。如果氫的含量太少，那化合物的超導性就會不如純氫，但如果氫的含量太高，那化合物就會表現得像金屬純氫，需要非常高的壓強才能實現超導性。測試中，迪亞斯損壞了非常多的金剛石，3000多對金剛石在加壓中犧牲了。「這一過程的失敗率非常高，」迪亞斯說，「我們總共做了幾十次實驗，才最終找到了合適的超導體。」

圖片來源：Adam Fenster / University of Rochester

最終，他們發現一種含碳的硫化氫超導體C-S-H在約260萬倍大氣壓力，溫度低於15攝氏度的情況下，電阻消失了。迪亞斯第一次看到結果時，還不太確信。為此，迪亞斯研究了C-S-H其磁性能。因為超導體和磁場會發生衝突，而強磁場會抑制超導性。

當迪亞斯將C-S-H置於磁場中時，這種超導化合物就需要更低的溫度才能具有超導性了。而研究小組對材料施加振蕩磁場時發現，當材料達到超導體條件時，它會將磁場從其內部排出，這是C-S-H真實具有超導性的另一個證據。

尋找常壓超導體

C-S-H的室溫超導性，啟示著未來的超導探索者：加入第三種元素，可以為實驗組合帶來更多可能性。迪亞斯表示：「我們相信，這會為預測高溫超導材料提供新的思路。」要知道，在元素周期上，可以出現4950種雙元素組合，而三元素組合可以達到161700種。這無疑暗示著更強大的超導體可能還藏在這些三元素組合中。

不過，現在迪亞斯還無法給出這個三元素超導體的準確化學式。因為氫分子太小，在傳統的晶格結構探測器中無法顯示出來，因此研究者並不知道這種化合物內部的原子排列方式，也不能寫出它的確切化學式。

當然，儘管這次研究中的C-S-H實現了室溫超導，但其所需要的壓力仍然不小，這或許在生產中直接使用是不太現實的。而接下來的挑戰，便是尋找在較低壓力下製造室溫超導材料的方法，從而使大批量生產更加經濟。

當被問到下一步的研究計劃時，迪亞斯表示，他們已經成立了一家名為Unearthly Materials的新公司，目標便是通過「成分調諧（compositional tuning）」在普通環境氣壓下生產出這些穩定或亞穩定的材料。

屆時，傳輸電力的電網將不再每小時損耗掉多達2億兆瓦的電能，懸浮列車和其他運輸工具將以全新的方式行進，醫學成像和掃描技術（如MRI和心磁圖）將得到提高，用於數字邏輯和存儲設備技術的電子產品將更高效、快捷……

目前，我們還生活在一個半導體的世界。隨著室溫超導體的發現，一個不再需要電池的超導世界或許已經不遠了。

原始論文：

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

參考文章：

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

https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/

《環球科學》2019年11月號：《逼近室溫超導》