图片来源：Adam Fenster / University of Rochester超导体是一种比常规导体更为优越的无损耗导电材料。现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作，这大大限制了它们的大规模应用。因此，找到一种室温超导材料，是物理学家长久以来的梦想。而今，我们迎来了人类探索超导之路上的里程碑事件。据最新一期《自然》的封面文章，美国罗切斯特大学（University of Rochester）的科学家们在260万个大气压下，成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料，这是人类首次实现室温超导。
其实，现在距离首次发现超导现象足足有100多年了。早在1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已经发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。但直到1957年，才有了第一个真正能描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·库伯（Leon Cooper）和约翰·施里佛（John Schrieffer）基于“波粒二象性”建立。他们认为，金属外层自由电子在有电压时，会流经晶格点阵形成电流，但通常情况下，这种晶格点阵有缺陷，会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中，电子会被束缚形成“库伯对”（Cooper pair），从而产生集体凝聚的波，这种波不同于自由电子，可以无阻碍地穿越晶格点阵。
“库伯对”就仿佛是电子在互相一起舞蹈，但这种和谐的情况会随着温度的升高而逐渐消失。而如何让“库伯对”在温度很高的情况下也能稳定存在呢？尼尔·阿什克罗夫特（Neil Aschcroft）在1968年给出了答案，氢原子或许能成为超导体运作中的有力助手。氢原子体积很小，能使得电子在晶格点阵中距离得更近，而轻质量的氢原子也能使凝聚波传播更快，使“库伯对”更紧密。但是只单纯用氢，需要1000万个大气压才能实现超导体目标，如果添加另一种元素，让氢嵌入其中，就能使条件变得不这么苛刻。这也促成了之后大家对氢化合物的大量测试，包括CaH6、H2S、H3S已经被相继发现能在“高温”条件（>40K）下实现超导性。2019年，人类与室温超导更进一步。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化镧（LaH10）在190万个大气压下，可以在逼近室温的260K以上出现超导性，这是曾经超导临界温度的最高纪录。罗切斯特大学的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）与索马亚祖鲁一样，也一直在寻找最合适的氢化合物。而距离索马亚祖鲁的研究仅一年，迪亚斯就用一种含碳的硫化氢刷新了超导体临界温度的记录。他的团队在一种用于在极高压下检测微量材料的研究装置——金刚石对顶砧（diamond anvil cell, DAC）中，将氢、碳和硫结合在一起，以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统（carbonaceous sulfur hydride），它的最大临界温度为287.7±1.2K（约15℃），此时的压力是267±10千兆帕，约为海平面大气压的260万倍。
迪亚斯在采访中告诉《环球科学》：“之前从未有人预测到过这种C-S-H三元体系的超导性，我们在这个领域摸索了很多年，整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体，”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向，因此迪亚斯认为，此次的发现既是意料之外，又在情理之中。Ranga Dias（中）和研究团队。图片来源：罗彻斯特大学
除了开始提到的氢原子能更可能提供“库伯对”，迪亚斯还表示，为了获得高温超导体，也需要更强的化学键和较轻的元素，这是两项最基本的标准。而氢恰是最轻的元素，氢键正是最强的键之一。理论上，金属氢具有较高的德拜温度和强的电子-声子耦合，这是室温超导所必需的。但是需要极高的压力，才能使纯氢变成金属态。于是，迪亚斯的实验室一直在寻求方法上的突破。最终，他们选择用富氢材料来模仿纯氢的超导相态，而不是直接使用纯氢。要使得这种富氢材料金属化，并不需要太高的压力。例如，迪亚斯的实验测试了钇和氢的组合，形成的氢化钇在约262K（约-11.15℃）的高温（当时的最高纪录）和约177万大气压之下表现出超导性。但最终奇迹还是出现在三种元素的组合上。他们将碳元素和硫元素以1:1的摩尔比混合并研磨成颗粒，放上DAC后充入氢气。随后，将该起始物料压缩至4千兆帕，并用激光照射数小时，以此使S-S化学键断裂，生成的硫自由基与氢气反应形成。加入甲烷（CH4）后，混合物中会发生分子交换，构成一个特殊系统，而在极端条件下会形成超导化合物。而正是这种超导化合物突破了室温的界限。这样听起来似乎并不太难，但迪亚斯坦言，富氢材料的制造过程就非常繁琐，大部分合成材料需要在低压下制造，而有一些却需要高温高压的不可控制造条件来合成。而如何引入恰到好处的硫化氢和甲烷也是实验成功的关键，也是最困难的一步。迪亚斯告诉《环球科学》，要想在高温下维持库伯对，氢的含量必须“刚刚好”。如果氢的含量太少，那化合物的超导性就会不如纯氢，但如果氢的含量太高，那化合物就会表现得像金属纯氢，需要非常高的压强才能实现超导性。测试中，迪亚斯损坏了非常多的金刚石，3000多对金刚石在加压中牺牲了。“这一过程的失败率非常高，”迪亚斯说，“我们总共做了几十次实验，才最终找到了合适的超导体。”
图片来源：Adam Fenster / University of Rochester
最终，他们发现一种含碳的硫化氢超导体C-S-H在约260万倍大气压力，温度低于15摄氏度的情况下，电阻消失了。迪亚斯第一次看到结果时，还不太确信。为此，迪亚斯研究了C-S-H其磁性能。因为超导体和磁场会发生冲突，而强磁场会抑制超导性。当迪亚斯将C-S-H置于磁场中时，这种超导化合物就需要更低的温度才能具有超导性了。而研究小组对材料施加振荡磁场时发现，当材料达到超导体条件时，它会将磁场从其内部排出，这是C-S-H真实具有超导性的另一个证据。
C-S-H的室温超导性，启示着未来的超导探索者：加入第三种元素，可以为实验组合带来更多可能性。迪亚斯表示：“我们相信，这会为预测高温超导材料提供新的思路。”要知道，在元素周期上，可以出现4950种双元素组合，而三元素组合可以达到161700种。这无疑暗示着更强大的超导体可能还藏在这些三元素组合中。不过，现在迪亚斯还无法给出这个三元素超导体的准确化学式。因为氢分子太小，在传统的晶格结构探测器中无法显示出来，因此研究者并不知道这种化合物内部的原子排列方式，也不能写出它的确切化学式。当然，尽管这次研究中的C-S-H实现了室温超导，但其所需要的压力仍然不小，这或许在生产中直接使用是不太现实的。而接下来的挑战，便是寻找在较低压力下制造室温超导材料的方法，从而使大批量生产更加经济。当被问到下一步的研究计划时，迪亚斯表示，他们已经成立了一家名为Unearthly Materials的新公司，目标便是通过“成分调谐（compositional tuning）”在普通环境气压下生产出这些稳定或亚稳定的材料。届时，传输电力的电网将不再每小时损耗掉多达2亿兆瓦的电能，悬浮列车和其他运输工具将以全新的方式行进，医学成像和扫描技术（如MRI和心磁图）将得到提高，用于数字逻辑和存储设备技术的电子产品将更高效、快捷……目前，我们还生活在一个半导体的世界。随着室温超导体的发现，一个不再需要电池的超导世界或许已经不远了。原始论文：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z
参考文章：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0
https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/
《环球科学》2019年11月号：《逼近室温超导》