一周內連發Science、Nature！這個課題迎來重磅突破

10.9號，Science上線麻省理工關於超導的研究論文，我們對此進行了報導（）。不到一周，超導又登上Nature封面，首次實現室溫超導，可謂超導領域裡程碑。裡程碑式的工作待遇就是不一樣，這篇工作從投稿到接收只用了不到10天的時間！昨天，眾多公眾號都對此進行了報導，然而大多注重背景介紹以及同行評價，本文將主要基於文獻本身來進行解讀，希望能夠有助於大家進一步了解這個課題：

▲第一作者：Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride

通訊作者：Ranga P. Dias

第一單位：美國羅徹斯特大學工程與應用科學學院機械工程系

DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

背景介紹

在過去的數十年中，尋找具有室溫超導性的材料一直是研究熱點。而極端壓強已成為研究室溫超導的一項重要參數， 因為它能促進生產出具有特殊化學計量和壓力誘導出金屬化的新型量子材料。這對於非金屬材料尤為關鍵。所有在高壓下，具有200K以上的高超導臨界溫度的體系都為富氫材料。富氫材料中的超導性是由強電聲子耦合至高頻氫聲子模中產生的。而能導致材料出現室溫超導的一個重要原因是壓力驅動的H2S→H3S的歧化反應。H2S和CH4與氫混合，在低壓下都能形成主-客體結構，並在4GPa下具有相近的大小。通過將低壓甲烷引入用於製備H3S的H2S+H2前驅體中，可以在一大批富氫並內含氫的範德華固體內進行分子交換。在極端條件下，這些主-客體結構就變成超導化合物的基礎組塊。

本文亮點

1. 作者發現碳質硫氫系統（carbonaceous sulfur hydride system）中的超導性，能實現在267±10GPa壓力下，超導轉變溫度為287.7±1.2K。

2. 在金剛石壓砧的寬壓力範圍內（140-275GPa）都可以觀測到超導態，但在220GPa以上壓力範圍，轉變溫度出現急劇上升。

3. 作者利用拉曼光譜探測氫在金屬化之前的化學和結構轉變。

4. 在作者團隊開發的三元系統中引入化學調節可使在低壓強下保持室溫超導性成為可能。

圖文解析

▲圖1 高壓下C-S-H中的超導性
a. C–S–H系統在高壓（P）下與溫度有關的電阻，在267±10 GPa時，在高達287.7±1.2 K的溫度下顯示出超導轉變。數據在加溫周期內獲得，以最大程度地減少電子和冷卻噪聲。左右縱軸分別代表兩個不同實驗運行的結果。b. 顯微照片顯示超導C–S–H樣品的光化學過程，該樣品具有四探針電導線，用於電阻測量。 c. 臨界溫度（Tc）與壓力的關係。由電阻（ρ）和交流磁化率（「χ」）的急劇下降確定，如圖1a, 2a所示。Tc隨壓力從〜140 GPa開始增加，然後在220 GPa附近逐漸趨於〜194 K，然後急劇增加，在225 GPa附近顯示出不連續性。在267 GPa下，觀察到的最高Tc為287.7K。 在271 GPa下進行的低溫準四點電阻測量（測得的最高壓力）顯示，在〜280 K處出現超導轉變。圖中實線為引導線，不同的顏色代表不同的實驗中得到的測量結果。紅色和黑色箭頭分別代表室溫（15°C）和水的凝固點。誤差線反映了測量值的不確定性。

▲圖2 在外部磁場下的磁化率和超導轉變
a. 在納伏範圍的交流磁化率的實部與實驗2中在選定壓力下的C-S-H體系的溫度的關係圖。該圖表表明，在160–190 GPa的壓力下，超導轉變具有明顯的反磁性屏蔽。 超導轉變在壓力下迅速轉變為更高的溫度。Tc由轉變中點的溫度確定。 從非超導C–S–H樣品中在108 GPa下確定的背景信號已從數據中去除。b. 在267 GPa下，H = 0 T，1 T，3 T，6 T和9 T（從右向左遞增）的磁場下的低溫電阻。插圖： 上臨界場與溫度在210 GPa和267 GPa時的關係。利用GL和WHH模型擬合。 在210 GPa時，研究的最大磁場為7T。

▲圖3 壓力誘導下的C+S+H2混合物中光化學產物的拉曼變化
a. C + S + H2混合物的光化學產物在壓力誘導下的拉曼變化。在4.0 GPa時，光化學過程發生之前的硫，碳和液態氫（黑色）的光譜信息，以及光化學轉變後的H2S + CH4 + H2晶體的光譜信息（藍色）。在光化學過程之後，樣品中不存在硫或碳的拉曼模式，表明已合成新的分子化合物。插圖顯示了在4.0 GPa下合成的透明晶體的顯微照片（I）。在約15 GPa（II；紅色）時，固體經歷了相變，其特徵是出現了新的晶格模態，H2S模態的分裂以及分子H2振動子（νH–H）進一步分裂。在37 GPa（III；紫色）以上出現了幾種新的晶格模式，表明存在另一個相變。由於光產物經歷了絕緣體到金屬的轉變，所有模式都在60 GPa以上消失。b. 壓力高達60GPa的壓力與拉曼頻譜間的關係圖。顯示與C + S +H2混合物在4 GPa時的光化學相關的光譜變化，在15 GPa時光產物的相變，和在37 GPa時的其他轉變。圖中符號對應實驗數據點，圖表中的線表示多項式擬合結果。去卷積的拉曼峰在擴展數據圖2中給出。

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