室溫超導(dǎo)之路，漫漫其修遠(yuǎn)兮。

近年來(lái)，盡管已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」，但國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的超導(dǎo)科研者往往都持如上態(tài)度。

但如今，這種態(tài)度應(yīng)該要轉(zhuǎn)變了——美國(guó)科學(xué)家們創(chuàng)造了一種氫化物材料，它竟然能在 15°C 的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電！

在最新一期的《自然》雜志（Nature）封面上，也寫著一串激動(dòng)人心的英文單詞：Superconductivity finally reaches room temperature（室溫下也終于能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性了）。

「室溫超導(dǎo)」有何意義？

首先回答一個(gè)問題：15°C 的溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，這意味著什么？

實(shí)際上，這是物理領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破！

上述所說(shuō)的超導(dǎo)，是指超級(jí)導(dǎo)電——超導(dǎo)體或超導(dǎo)材料在某一溫度下電阻為零。但嚴(yán)格來(lái)講，只有同時(shí)具有上述零電阻效應(yīng)和完全抗磁性兩種特性的物質(zhì)，才是科學(xué)意義上真正的超導(dǎo)體。

完全抗磁性通俗來(lái)講就是對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象，于 1933 年由 Walter Meissner 和 Robert Ochsenfeld 兩位物理學(xué)家對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象在科學(xué)界有個(gè)專業(yè)的名字——邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）。

究其歷史，科學(xué)家們最初發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體是在近一個(gè)世紀(jì)前。

1911 年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人利用液氦，將金和鉑冷卻到了 4.3K（-268.85 攝氏度）以下，發(fā)現(xiàn)鉑的電阻保持在一個(gè)常數(shù)水平。接著，他們將汞冷卻到 4.2K（-268.95 攝氏度）以下，發(fā)現(xiàn)其電阻幾乎為零，而這正是物質(zhì)的超導(dǎo)性。

1913 年，Heike Kamerlingh Onnes 又發(fā)現(xiàn)：錫和鉛也和汞一樣具有超導(dǎo)性。

同年，為表彰其對(duì)低溫物質(zhì)特性的研究，Heike Kamerlingh Onnes 獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后世也將他視為是低溫物理學(xué)的奠基人。 

根據(jù)上述描述可以看到，“超導(dǎo)”這個(gè)詞出現(xiàn)時(shí)往往伴隨的是一個(gè)特定溫度，而這個(gè)溫度一般都是很低的，比如：

• 1973 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為 23.2K（-249.95 攝氏度）；

• 1986 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種陶瓷性金屬氧化物具有高溫超導(dǎo)性，臨界溫度可達(dá) 35K（-238.15 攝氏度），由此獲得了 1987 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；

• 1988 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)汞系超導(dǎo)材料的臨界溫度達(dá) 135K（-138.15 攝氏度）；高壓條件下其臨界溫度將能達(dá)到 164K（-109.15 攝氏度）；

• 2015 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫在極高壓下在 203K （-70.15 攝氏度）的溫度下會(huì)發(fā)生超導(dǎo)相變，這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是當(dāng)時(shí)已知最高溫度的超導(dǎo)體了。

在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)便是室溫超導(dǎo)，能真正發(fā)現(xiàn)「室溫超導(dǎo)體」的科研團(tuán)隊(duì)可以說(shuō)是諾獎(jiǎng)級(jí)別的人物了。

據(jù)知乎答主“中國(guó)科普博覽”所說(shuō)，近年來(lái)已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」，但實(shí)際情況都是證據(jù)不足甚至是造假——這些研究中聲稱發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體被科學(xué)界稱為「可疑超導(dǎo)體」（Unidentifided Superconducting Objects）。

可見，能在 15°C 的溫度下發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，絕對(duì)是一大里程碑事件。

首個(gè)室溫超導(dǎo)體

來(lái)具體看看人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)室溫超導(dǎo)體。

這一登上 Nature 封面的成果，來(lái)自于羅徹斯特大學(xué)（工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系、羅徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系）和內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校（化學(xué)與生物化學(xué)系、物理與天文學(xué)系）兩所美國(guó)名校與英特爾公司。

2020 年 10 月 14 日，論文正式發(fā)表于 Nature，題為 Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride（碳-硫-氫化合物的室溫超導(dǎo)性）。

物理學(xué)界的傳承

早在 2015 年 8 月 17 日，一篇重磅論文發(fā)表于 Nature。論文顯示，高壓下，氫和硫的化合物在 ?70℃ 時(shí)出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

3 年后，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，氫和鑭的化合物在 ?13℃ 時(shí)具有超導(dǎo)性。

可以說(shuō)美國(guó)科學(xué)們此次的研究是這兩大成果的一種「?jìng)鞒小埂衔锟稍诟哌_(dá) 287.7 ± 1.2K（約 15 攝氏度）的溫度下作為超導(dǎo)體運(yùn)行，而這種化合物正是由氫、碳和硫組成。

據(jù)了解，這也是超導(dǎo)性首次出現(xiàn)在由三種元素組成的化合物中。對(duì)此，論文合著者之一、拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)物理學(xué)家 Ashkan Salamat 表示：

加入第三種元素，極大地拓展了未來(lái)尋找新型超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)的思路。我們開辟了一個(gè)全新的探索領(lǐng)域。

不僅如此，這項(xiàng)研究還證實(shí)了康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家 Neil Ashcroft 幾十年前的預(yù)測(cè)：富氫材料可能會(huì)在比我們想象得高得多的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

研究成本不菲

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)用到了金剛石砧，金剛石砧由一對(duì)金剛石對(duì)頂砧和密封墊組成，二者之間可以產(chǎn)生約為幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓那么大的壓力。

如下圖所示，兩顆尖對(duì)尖的鉆石正是實(shí)驗(yàn)工具。

值得一提的是，研究并不總是一帆風(fēng)順的——該團(tuán)隊(duì)總共用廢了數(shù)十對(duì)價(jià)值 3000 美元的鉆石。

正如團(tuán)隊(duì)所說(shuō)：

鉆石的預(yù)算是我們研究過(guò)程中最大的問題。

上述突破性發(fā)現(xiàn)的得來(lái)過(guò)程大致是：

1. 將碳、氫和硫的混合物放入金剛石砧中。

2. 用激光觸發(fā)混合物的化學(xué)反應(yīng)，觀察晶體的形成。

3. 降低溫度，發(fā)現(xiàn)通過(guò)材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經(jīng)具有超導(dǎo)性。

4. 增加壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度越來(lái)越高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終表明，在達(dá)到 267 萬(wàn)個(gè)大氣壓（海平面大氣壓的 260 萬(wàn)倍）時(shí)，化合物在 15°C 時(shí)的電阻為零。

對(duì)于這一溫度，劍橋大學(xué)材料科學(xué)家 Chris Pickard 表示，15°C 應(yīng)該是一個(gè)較低的房間溫度，也許是維多利亞時(shí)代的一間小屋。

Chris Pickard 肯定了這項(xiàng)研究：

人們永遠(yuǎn)都在談?wù)撌覝爻瑢?dǎo)，但他們可能并不十分了解，首個(gè)室溫超導(dǎo)體是在如此之高的壓力下發(fā)現(xiàn)的。

神秘的化合物

雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，但研究團(tuán)隊(duì)也認(rèn)為，關(guān)于這種物質(zhì)還有很多未知之謎。而在 Nature 對(duì)其研究的大篇幅報(bào)道中，也將這種化合物稱為 Mysterious material（神秘物質(zhì)）。

研究人員表示：

還有很多事情要做，甚至這種晶體的確切結(jié)構(gòu)和化學(xué)式也尚不清楚。而給的壓力越大，樣本量將越小，這就是我們的測(cè)量過(guò)程真正具有挑戰(zhàn)性的原因。未來(lái)希望制造出無(wú)需高壓且穩(wěn)定的超導(dǎo)體。

對(duì)于這一成就，2015 年那篇論文的合著者之一、來(lái)自德國(guó)馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的物理學(xué)家 Mikhail Eremets 也表示：

這項(xiàng)研究提供了關(guān)于室溫超導(dǎo)的令人信服的證據(jù)，但我還是希望能看到更多的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

磁懸浮列車、核磁共振、超導(dǎo)電纜、汽車馬達(dá)、量子計(jì)算芯片......成就了一大批理論物理學(xué)家甚至諾獎(jiǎng)得主的超導(dǎo)體在現(xiàn)實(shí)中已有了眾多應(yīng)用場(chǎng)景，但在實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)展卻依舊極其緩慢?；蛟S，這項(xiàng)室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將為物理學(xué)界帶來(lái)新變革。

引用來(lái)源：

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

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

https://www.zhihu.com/question/22636832

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