Nature封面報導：科學家製備出世界上第一個常溫超導材料

自1911年Onnes在4.2K的低溫下發現汞的超導電性，一直以來，高溫乃至室溫超導都是理論和實驗物理領域的挑戰。

　　近些年，高壓下富氫材料的高溫超導電性被多次報導，也曾有中國科學家預言，H2S可能在高壓下轉變為高溫超導體。

　　就在北京時間2020年10月14日晚，Elliot Snider，Nathan Dasenbrock-Gammon等人刊登在《自然》的研究讓超導轉變溫度突破了273K（約0℃）這個節點，實現了287K（約15℃）室溫的含碳硫氫化合物超導。不出意料，該研究一舉登上了《自然》封面。

圖｜ Nature 雜誌封面

　　此前的一項研究表明，高壓下H2S轉變為H3S可實現高溫超導，該反應發生的溫度在203K，壓強需達到200GPa。H2S和CH4會在相對較低的壓強下混合形成複合結構，該複合結構是尋找高溫超導體，甚至室溫超導體的關鍵。

　　該研究團隊通過光化學方法，利用C-S-H體系，在267GPa的高壓下，製備出了最高超導轉變溫度可達287.7K（約15攝氏度）的室溫超導體。

　　並且，在利用金剛石對頂砧得到的140GPa到275GPa之間廣泛的壓強區間內，都能在相應的溫度上觀測到超導態，其中當壓強高於220GPa時，超導轉變溫度會隨壓強升高顯著提升，甚至可以達到287K（約15攝氏度）。當壓強高於220GPa時，超導轉變溫度會隨壓強升高顯著提升,甚至可以達到287K（約15℃）。

隨壓強提高，超導轉變溫度上升

當壓強高於220GPa時，超導轉變溫度會隨壓強升高顯著提升

　　中國科學院物理研究所副研究員羅會仟表示，這項研究有3個難點：

　　一個是如何在高壓極端條件下讓反應可控地發生，並製備出所需的材料結構，要知道在這樣的極端條件下僅僅是把所需的反應物放入就不是一件容易的事。

　　第二個難點是如何達到反應所需的溫度且不破壞金剛石對頂砧，這裡雷射加熱扮演了重要的角色。要知道，在極端高壓下測量的數據質量往往很差，如何在267GPa下準確、可信地測量出樣品的零電阻和抗磁性等性質是第三個難點。

　　此外，除了H和S外，該團隊引入了C元素，第三個元素的引入也給實驗前的計算模擬增加了難度。

　　據報導，該團隊在190GPa下通過對零電阻現象和抗磁性的測定，確認了該材料的超導電性，並發現超導轉變溫度在外磁場下出現下降的現象，這是人類第一次在室溫（15攝氏度）下觀察到具有超導特性的材料。根據金茲堡-朗道模型的擬合推算，該材料的臨界磁場可達62T。

　　由於這類材料主要由較輕的氫元素組成，用X射線探測它的結構是十分困難的，但可用拉曼光譜來測量它的化學成分。

不同壓強下磁化率隨溫度變化，完全抗磁性是超導材料的特徵之一

羅會仟表示，在高溫超導領域富氫材料已經具有豐富的研究基礎。

　　2015年德國的研究團隊就在約220萬個大氣壓下把超導臨界溫度提升到了203K。

　　2019年美國的研究團隊進一步在260K實現了超導電性。

　　本次登載在《自然》封面的研究在研究思路上並沒有太大突破，但這項研究卻是自人類發現超導現象後，百年來把超導臨界溫度提升到最接近室溫的一次，算是圓了人類的「百年室溫超導夢」。

　　然而，這次研究人員創造出的常溫超導材料，距離應用還十分遙遠，該材料需在267GPa的高壓下才能在約15攝氏度的室溫下顯現出超導電性，這個壓強是標準大氣壓的200多萬倍，接近地心的壓強。

　　論文通訊作者、羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授 Ranga Dias 表示：「下一個挑戰是找到在較低壓力下製造常溫超導材料的方法，這樣就可以在更大的產量上節省成本。」該團隊認為，通過一些化學手段對C-S-H系統進行調控，或有助於降低所需的壓強。

　　但是現有的關於高壓富氫材料超導的理論模型並不能對如此高的超導轉變溫度做出解釋，關於室溫超導依然有許多謎題有待解開。