科學家首次實現了室溫超導——裡程碑式的突破

• 一種由氫、碳和硫組成的新型金屬化合物，在一對金剛石砧之間施加壓力時，在59華氏度下顯示出了超導性。

紐約的一組物理學家發現了一種能在室溫下高效導電的材料，這是一個長久以來尋求的科學裡程碑。研究小組最近在《自然》雜誌上報導，這種氫、碳和硫化合物在59華氏度的溫度下以超導體的形式工作。這比去年創下的高溫超導記錄還要高50多度。

「這是我們第一次真正宣稱已經發現了室溫超導性，」西班牙巴斯克地區大學的凝聚態理論學家埃雷亞說。

材料科學家現在面臨著發現超導體的挑戰，這種超導體不僅可以在正常溫度下工作，還可以在日常壓力下工作。這種新化合物的某些特徵為將來找到合適的原子混合物帶來了希望。

當自由流動的電子撞擊組成金屬的原子時，普通導線就會產生電阻。但是，研究人員在1911年發現，在低溫下，電子可以在金屬的原子晶格中誘發振動，而這些振動反過來又把電子拉到一起，形成稱為庫珀的對偶。不同的量子規則支配著這些對偶，它們成群結隊地穿過金屬晶格，不受任何阻礙，沒有任何阻力。超導流體還會排斥磁場——這一效應可以讓磁懸浮交通工具無摩擦地漂浮在超導軌道上。

然而，隨著超導體溫度的升高，粒子會隨機地晃動，打破了電子微妙的平衡。

研究人員花了幾十年的時間尋找一種能承受日常環境高溫的超導體，這種超導體的庫珀探戈緊密地結合在一起。1968年，康奈爾大學的固體物理學家尼爾·阿什克羅夫特提出，用氫原子的晶格就能達到這個目的。氫的微小尺寸使電子更接近晶格的節點，增加了它們與振動的相互作用。氫的輕巧性還使那些引導的波紋更快地振動，從而進一步增強了與庫珀對的粘合力。

要把氫壓成金屬晶格需要非常高的壓力，這是不切實際的。然而，阿什克羅夫特的研究帶來了希望，一些「氫化物」可能在更容易獲得的壓力下提供金屬氫的超導性。

這方面的進展始於21世紀初，當時的超級計算機模擬讓理論學家能夠預測各種氫化物的性質，而金剛石砧的廣泛使用使實驗家們可以挑選最有前途的「候選人」來測試超導性。

突然，氫化物開始創造紀錄。2015年，德國的一個研究小組發現，在150萬倍的大氣壓下，一種金屬形式的硫化氫能在零下94華氏度下超導。四年後，該實驗室使用氫化鑭在180萬大氣壓下達到零下10度，而另一個小組在8度的溫度下發現了該化合物存在超導性的證據。

在直覺和粗略計算的指導下，研究小組測試了一系列氫化合物，以尋找氫的黃金比率。添加的氫太少，化合物就不能像金屬氫那樣具有堅固的超導性。如果添加太多，樣品就會像金屬氫一樣，只有在高壓下才會金屬化。在他們的研究過程中，該團隊破壞了幾十對價值3000美元的鑽石。「鑽石預算是我們研究的最大問題。」迪亞斯說。

研究人員從硫化氫開始，加入甲烷(碳和氫的化合物)，然後用雷射烘烤混合物。迪亞斯的合作者、內華達大學的凝聚態物理學家阿什坎·薩拉馬特(說：「我們能夠豐富這個系統，並引入適量的氫，使這些庫珀對維持在非常高的溫度下。」

但他們製作的氫-碳-硫化合物的細節卻讓他們無從知曉。氫太小了，無法在傳統的晶格結構的探針中顯示出來，因此該小組不知道原子是如何排列的，甚至不知道這種物質的確切化學公式。

​來自布法羅大學的計算化學家伊娃·祖雷克在今年早些時候，預測了一種可能在鑽石鐵板之間形成的金屬的超導條件，結果發現了不同的行為。她懷疑，高壓反而把迪亞斯的物質轉變成一種未知的形式，這種形式的超導性特別強。

一旦迪亞斯的小組能夠弄清楚他們手上到底有什麼，理論家們將建立模型來探索賦予這種氫-碳-硫混合物超導能量的特徵，希望能進一步修改這個配方。

物理學家已經證明，大多數雙元素氫混合燃料都是死路，但新的三元素混合燃料標誌著複雜嵌合體材料領域的重大進展。其中的一個因素似乎對某些人特別有希望。

「我喜歡這項工作的一點是：他們將碳帶入系統，」米哈伊爾·埃雷米茨說。埃雷米茨是德國馬克斯·普朗克化學研究所的一名實驗人員，他的實驗室創造了2015年和2019年的氫化物記錄。

他解釋說，氫的輕度並不是增強振動的唯一途徑，這種振動導致電子進入庫珀對。晶格中相鄰原子間更強的聯繫也有幫助，他說，「碳有很強的共價鍵。「碳框架材料可以帶來額外的好處，防止整個組件在人們感到舒適的壓力下倒塌。」