15℃!科學家實現高壓室溫超導,人類離完美材料又近了一步

上周，美國研究人員在《自然》雜誌發表了一項最新研究成果，表明在室溫超高壓狀態下實現了超導。這一消息迅速引發了媒體的爭相報導，《自然》雜誌甚至將其作為封面文章，足見其重大意。

超導研究是物理學一個很小的分支領域，卻受到學界的重視，但到現在為止，已經有10位科學家直接因為超導研究獲得諾貝爾獎。

超導是什麼?

一般來說，物質按照其電阻大小可以分為兩類，電阻過大使得電流無法通過是絕緣體，可以通過的即為導體。在實際運用中，導體的電阻並不討喜，它會降低電流傳輸的效率，增大電流損失。

在特定條件下，某物體電阻為零的狀態，即為超導。在實驗中，若導體電阻的測量值低於10-25Ω，就可認為其電阻為零。據測算，在閉合超導線圈中感應出1A的電流，需要近一千億年才能完全損失掉，這一速度相對於人類的時間尺度來說完全可以忽略不計。

為什麼會存在電阻呢?

以常規金屬導體為例。金屬中的原子傾向於失去部分電子而成為正離子。這些正離子在金屬中的排列是周期性且有序的，形成所謂「晶體點陣」或「晶格」。在這一過程中那些「失去的電子」會成為自由電子，不再為某一特定的正離子所束縛。

在未通電或其他情況(如溫度、數密度等未變)下，金屬中的自由電子會像氣體中的分子一樣不停地做無規則熱運動，朝任意方向運動的概率都一樣，不會發生定向運動。

當通電時，自由電子受力而獲得加速度，開始定向運動，金屬導體中的電流就是自由電子定向移動形成的。但是自由電子在運動中要與「晶體點陣」頻繁碰撞，每秒鐘的碰撞次數高達10^15左右,這種碰撞會阻礙自由電子的定向移動(如魚群穿越漁網時受到的阻礙)，這就是電阻產生的原因。

當然，這一過程中，自由電子碰撞時會將部分能量轉移給晶格上的正離子，使其熱振動加劇，這也就解釋了為什麼通電後的導體會發熱。

如何降低電阻呢?

早在20世紀初，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)在研究水銀的低溫特性時發現，當溫度降到-268.98℃，水銀的電阻突然消失(其實應該是超出了當時電阻測量的極限);後來他發現許多金屬和合金都具有類似現象。

對這一現象，後來有物理學家做出了解釋，1957年羅伯特·施裡弗(Robert Schrieffer)、約翰·巴丁(John Bardeen)和萊昂·庫珀(Leon Cooper)3位科學家對低溫超導原理進行了深入研究，最終提出一個超導理論一一「電子對理論」，又稱BCS理論(以3人名字的第一個字母命名)。

該理論認為，晶格的振動，即聲子(Phonon)，使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零、總自旋量子數（用來描述電子自旋運動的數值）為零的電子對(或庫珀對)。這種電子對在穿越晶格是不會發生碰撞，因此也就不會存在電阻。

這也是目前網絡上對超導原理的解釋，但這樣的解釋根本沒有觸及根本，為什麼形成電子對後穿越時就不會受到阻礙了?

解釋BCS理論需要引入玻色子和玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensation, BEC)這兩種概念。

玻色子的命名源自其發現者印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)，是指自旋量子數為整數(0，1，……)的粒子，比如氘核、氦-4等複合粒子以及光子、膠子等基本粒子。玻色子在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。

上面提到，BCS理論中的電子對的總自旋為零，因此也是一種玻色子。

玻色-愛因斯坦凝聚是玻色子在冷卻到接近絕對零度(即0開爾文度，寫作0K，約零下273.15℃)所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態(物態)，也就是超流體，其特點是完全缺乏黏性。

如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。儘管超流體擁有0摩擦力的特性，但並不意味著可以用它製造出永動機，因為目前並不存在摩擦力為0的傳動裝置，不能輸出能量的永動裝置毫無實際意義。

因此，BCS理論中的電子對作為一種玻色子，在超低溫狀態下會具有超流體的體徵，因此其在受到電流的加速度向前運動時不會因為阻力而損失能量。這就是低溫超導的原理。

提出BCS理論的3位科學家在1972年獲得諾貝爾獎。但是，這一理論卻也不是絕對正確的，它無法解釋高溫超導現象。

零度以下的「高溫」超導

低溫超導自首次發現以來已經有百年歷史，但是，目前生活中對超導的實際運用並不廣泛，一個瓶頸就在於超低溫。最佳超導體需要用液氦或液氮加以冷卻才能使用，往往需要達到絕對0度左右，而且還要長久保持這種低溫狀態。

這一要求很難實現，因此眾多研究人員都在研究高溫超導。但是，這裡的「高溫」和日常說的動輒成百上千的高溫不同，它是相對於絕對零度的概念，即便零下200度，也能被稱作「高溫」。

從 20 世紀 80 年代開始，高溫超導材料相繼問世，超導臨界溫度也不斷提高。

1986年繆兩名物理學家發現了鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物，其臨界溫度約為-238.15 攝氏度，這兩人也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。這一發現也使得科學家製造出了臨界溫度約183.15 攝氏度的超導材料釔鋇銅氧超導體，第一次突破了液氮溫度(-196.15 攝氏度)。

雖然人類在實驗室中已經進行了多次實驗，超導體的臨界溫度也不斷提升，但目前人類對高溫超導的機理並不了解。

人們發現，雖然超導體的臨界氣溫不斷提高，但其所處環境的壓力卻在上升。2018年，德國馬普化學研究所的米哈伊爾·埃雷米茨(MikhailEremets)與其同事在-23℃的溫度下實現了氫化鑭(LaH10)的超導性。但同時他們也指出，這一環境所處的氣壓是170千帕(kPA)，這一壓力約相當於17噸重物作用在1平方米地面所產生的壓力。

終極夢想——室溫超導

就在本月14日，《自然》雜誌刊登的研究成果顯示人類已經實現了室溫(15攝氏度)環境下的超導。這一成果從投稿到接受不超過十天，足見其重要性。

這一實驗中使用的是含碳硫氫化合物（加入碳是因為其能與鄰近原子形成很強的化學鍵，進一步提高臨界溫度）。此前，中國科學家就曾預言硫化氫(H2S，一種散發出臭雞蛋味的氣體)可能在高壓下轉變為高溫超導體(沒錯，中國在超導研究方面是領先的)。

為什麼科學家認為氫具有室溫超導的潛力呢?

1968年，康奈爾大學物理學家尼爾·阿什克羅夫特(Neil Ashcroft)指出，如果能將氫氣轉化為固體金屬氫，由於強大的氫鍵存在，其晶格可在較高溫度下傳遞庫珀電子對，超導臨界溫度可以「高達」17℃。

羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯(Ranga Dias)也看好氫，他認為「要擁有常溫超導體，需要更牢固的鍵合和輕元素。這是非常基本的前提。氫是最輕的材料，氫鍵是最強的鍵。理論上，固體金屬氫具有較高的德拜溫度(Debye temperature)和強的電子-聲子耦合(coupling)，這是室溫超導所必需的。」

上面提到的德拜溫度是指晶體中原子的最高振動頻率所對應的能量與波爾茨曼常數的比值;電子-聲子耦合是指這兩者之間的相互作用/影響/聯合的現象。

他們的看法後來得到了證實，不過，在地球上製取金屬氫的難度很大，其需要的壓力很高。此前，哈佛大學的科學家曾宣稱在495 GPa(約相當於4950萬噸重的物體作用在1平方米麵積上的力)的壓力下製造了固態金屬氫，不過他們的說法並沒有實際證據。

由於難度太大，科學家多採用含氫化合物，硫化氫就是用的較多的一種物質。在本次發表的最新成果中，科學家使壓力達到了267GPa。為了實現這一壓力，需要在金剛石對頂壓砧中實現，如下圖：

圖源：Steven D. Jacobsen

在論文中，作者並沒有給出具體的化學成分和晶體結構，但是詳細論述了製備過程，這也為其他研究團隊在後續中再次實現「室溫超導」提供了參考。

在報導這一研究時，有的媒體用了「家用電線馬上就是超導的了」等標題。這一說法是錯誤的。從上面的論述可以看出，目前不論是哪種實現途徑，對溫度和壓力的要求都很高，在實驗室中實現這樣的條件很容易，但要實現落地並且保證穩定性，目前的科技水平還是很難的。

不可置否，超導的應用前景是很廣的，不然也不會有那麼多科學家前赴後繼。目前在醫療領域使用的核磁共振成像(MRI)就用到了超導技術。日本早在上個世紀就提出建造超導列車，不過由於穩定性最後只得做罷。

當然，超導的應用前景還有很多：超導電纜、超導電機、超導儲能器以及粒子加速器和受控熱核反應的超大型強磁體。

這次的研究雖然還不具備實際運用價值，但它卻證明了室溫超導的可行性，也驗證了中國科學家的預言，隨著科學的進步，壓在超導身上的「兩座大山」：低溫和高壓遲早會被解決。