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圖片來源：Adam Fenster / University of Rochester

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超導體是一種比常規(guī)導體更為優(yōu)越的無損耗導電材料?，F有的超導材料大都需要在極低溫下才能工作，這大大限制了它們的大規(guī)模應用。因此，找到一種室溫超導材料，是物理學家長久以來的夢想。而今，我們迎來了人類探索超導之路上的里程碑事件。

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撰文丨樊亦非 楊心舟

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讓電阻消失

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其實，現在距離首次發(fā)現超導現象足足有100多年了。早在1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已經發(fā)現，當溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時，浸泡在液氨里的金屬汞的電阻會消失。

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但直到1957年，才有了第一個真正能描述超導現象的理論——BCS理論。該理論由美國科學家約翰·巴?。↗ohn Bardeen）、里昂·庫伯（Leon Cooper）和約翰·施里佛（John Schrieffer）基于“波粒二象性”建立。他們認為，金屬外層自由電子在有電壓時，會流經晶格點陣形成電流，但通常情況下，這種晶格點陣有缺陷，會因熱振動使電流產生阻礙。而在超導體中，電子會被束縛形成“庫伯對”（Cooper pair），從而產生集體凝聚的波，這種波不同于自由電子，可以無阻礙地穿越晶格點陣。

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“庫伯對”就仿佛是電子在互相一起舞蹈，但這種和諧的情況會隨著溫度的升高而逐漸消失。而如何讓“庫伯對”在溫度很高的情況下也能穩(wěn)定存在呢？尼爾·阿什克羅夫特（Neil Aschcroft）在1968年給出了答案，氫原子或許能成為超導體運作中的有力助手。氫原子體積很小，能使得電子在晶格點陣中距離得更近，而輕質量的氫原子也能使凝聚波傳播更快，使“庫伯對”更緊密。

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但是只單純用氫，需要1000萬個大氣壓才能實現超導體目標，如果添加另一種元素，讓氫嵌入其中，就能使條件變得不這么苛刻。這也促成了之后大家對氫化合物的大量測試，包括CaH6、H2S、H3S已經被相繼發(fā)現能在“高溫”條件（>40K）下實現超導性。

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2019年，人類與室溫超導更進一步。當時美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）的研究組宣布，十氫化鑭（LaH10）在190萬個大氣壓下，可以在逼近室溫的260K以上出現超導性，這是曾經超導臨界溫度的最高紀錄。

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羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）與索馬亞祖魯一樣，也一直在尋找最合適的氫化合物。而距離索馬亞祖魯的研究僅一年，迪亞斯就用一種含碳的硫化氫刷新了超導體臨界溫度的記錄。他的團隊在一種用于在極高壓下檢測微量材料的研究裝置——金剛石對頂砧（diamond anvil cell, DAC）中，將氫、碳和硫結合在一起，以光化學方法合成了含碳的硫化氫系統(tǒng)（carbonaceous sulfur hydride），它的最大臨界溫度為287.7±1.2K（約15℃），此時的壓力是267±10千兆帕，約為海平面大氣壓的260萬倍。

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三元素體系的超導體

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迪亞斯在采訪中告訴《環(huán)球科學》：“之前從未有人預測到過這種C-S-H三元體系的超導性，我們在這個領域摸索了很多年，整個團隊也都按照‘模仿金屬氫狀態(tài)’的思路來尋找超導體，”這也是之前預測可能尋找到常溫超導體的方向，因此迪亞斯認為，此次的發(fā)現既是意料之外，又在情理之中。

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Ranga Dias（中）和研究團隊。圖片來源：羅徹斯特大學

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除了開始提到的氫原子能更可能提供“庫伯對”，迪亞斯還表示，為了獲得高溫超導體，也需要更強的化學鍵和較輕的元素，這是兩項最基本的標準。而氫恰是最輕的元素，氫鍵正是最強的鍵之一。

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理論上，金屬氫具有較高的德拜溫度和強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的。但是需要極高的壓力，才能使純氫變成金屬態(tài)。于是，迪亞斯的實驗室一直在尋求方法上的突破。最終，他們選擇用富氫材料來模仿純氫的超導相態(tài)，而不是直接使用純氫。要使得這種富氫材料金屬化，并不需要太高的壓力。

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例如，迪亞斯的實驗測試了釔和氫的組合，形成的氫化釔在約262K（約-11.15℃）的高溫（當時的最高紀錄）和約177萬大氣壓之下表現出超導性。但最終奇跡還是出現在三種元素的組合上。

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他們將碳元素和硫元素以1:1的摩爾比混合并研磨成顆粒，放上DAC后充入氫氣。隨后，將該起始物料壓縮至4千兆帕，并用激光照射數小時，以此使S-S化學鍵斷裂，生成的硫自由基與氫氣反應形成。加入甲烷（CH4）后，混合物中會發(fā)生分子交換，構成一個特殊系統(tǒng)，而在極端條件下會形成超導化合物。而正是這種超導化合物突破了室溫的界限。

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這樣聽起來似乎并不太難，但迪亞斯坦言，富氫材料的制造過程就非常繁瑣，大部分合成材料需要在低壓下制造，而有一些卻需要高溫高壓的不可控制造條件來合成。而如何引入恰到好處的硫化氫和甲烷也是實驗成功的關鍵，也是最困難的一步。

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迪亞斯告訴《環(huán)球科學》，要想在高溫下維持庫伯對，氫的含量必須“剛剛好”。如果氫的含量太少，那化合物的超導性就會不如純氫，但如果氫的含量太高，那化合物就會表現得像金屬純氫，需要非常高的壓強才能實現超導性。測試中，迪亞斯損壞了非常多的金剛石，3000多對金剛石在加壓中犧牲了?！斑@一過程的失敗率非常高，”迪亞斯說，“我們總共做了幾十次實驗，才最終找到了合適的超導體?！?/p>

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圖片來源：Adam Fenster / University of Rochester

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最終，他們發(fā)現一種含碳的硫化氫超導體C-S-H在約260萬倍大氣壓力，溫度低于15攝氏度的情況下，電阻消失了。迪亞斯第一次看到結果時，還不太確信。為此，迪亞斯研究了C-S-H其磁性能。因為超導體和磁場會發(fā)生沖突，而強磁場會抑制超導性。

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當迪亞斯將C-S-H置于磁場中時，這種超導化合物就需要更低的溫度才能具有超導性了。而研究小組對材料施加振蕩磁場時發(fā)現，當材料達到超導體條件時，它會將磁場從其內部排出，這是C-S-H真實具有超導性的另一個證據。

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尋找常壓超導體

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C-S-H的室溫超導性，啟示著未來的超導探索者：加入第三種元素，可以為實驗組合帶來更多可能性。迪亞斯表示：“我們相信，這會為預測高溫超導材料提供新的思路?！币?，在元素周期上，可以出現4950種雙元素組合，而三元素組合可以達到161700種。這無疑暗示著更強大的超導體可能還藏在這些三元素組合中。

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不過，現在迪亞斯還無法給出這個三元素超導體的準確化學式。因為氫分子太小，在傳統(tǒng)的晶格結構探測器中無法顯示出來，因此研究者并不知道這種化合物內部的原子排列方式，也不能寫出它的確切化學式。

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當然，盡管這次研究中的C-S-H實現了室溫超導，但其所需要的壓力仍然不小，這或許在生產中直接使用是不太現實的。而接下來的挑戰(zhàn)，便是尋找在較低壓力下制造室溫超導材料的方法，從而使大批量生產更加經濟。

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當被問到下一步的研究計劃時，迪亞斯表示，他們已經成立了一家名為Unearthly Materials的新公司，目標便是通過“成分調諧（compositional tuning）”在普通環(huán)境氣壓下生產出這些穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的材料。

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屆時，傳輸電力的電網將不再每小時損耗掉多達2億兆瓦的電能，懸浮列車和其他運輸工具將以全新的方式行進，醫(yī)學成像和掃描技術（如MRI和心磁圖）將得到提高，用于數字邏輯和存儲設備技術的電子產品將更高效、快捷……

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目前，我們還生活在一個半導體的世界。隨著室溫超導體的發(fā)現，一個不再需要電池的超導世界或許已經不遠了。

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原始論文：

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

參考文章：

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

https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/

《環(huán)球科學》2019年11月號：《逼近室溫超導》

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