临界温度再次刷新，近室温超导获实验数据证明

 

原文作者：James J. Hamlin

科学家们寻找室温下的超导材料——可以无损传输电能的材料——已经有一个世纪了。现在，实验数据证明了比以往更高温度下的超导。

超导体材料可以以100%的效率传输电能。它们有很多应用，例如医院里的核磁共振。但是，这些应用都不太顺利，很大程度上是因为超导状态只会存在于远低于室温（295K）的温度下。德国马克斯·普朗克化学研究所的Drozdov等人在《自然》上发文报告了几个关键结果，证实了氢化镧受到地球大气一百万倍的压力压缩时，可以在250K达到超导——高于目前已知的所有材料的超导温度。

超导最早是1911年在温度降到4K以下的汞中发现的。使材料出现超导性的最高温度被称为临界温度。很快人们就意识到，如果能找到临界温度远高于4K的材料，那么能展现出零电阻的物质状态会非常有用。过去一百年来，人们发现了越来越多的超导材料，临界温度的最高纪录也被不时地刷新，向着室温这个终极目标发展。

上述文章的其中几位作者和同事们于2014年打破了之前164K的记录。他们发现硫化氢——会产生臭鸡蛋气味的化学物质——可以在200K左右的温度变成超导体，前提是使用近200万倍大气压进行压缩。之后，2018年两个互相独立的研究组几乎同时报告，压缩的氢化镧可能可以在更高的温度下展现出超导性，范围从215K开始，最高可能达到280K。

这些硫化氢和氢化镧超导材料的共通特性是，它们富含氢元素，并且超导性只在约100万倍大气压以上的高压下才会发生。在这些极端条件下，化学键会被大幅改变，形成其他条件下不稳定的结构。对于氢化镧来说，高压似乎会让其中一种化合物LaH10的结构变得稳定，它含有的氢比常压下能达到的比例更高。

Drozdov等人使用金刚石对顶砧达到了这种异常高压（约为地心压力的一半）。金刚石对顶砧可以用一只手握住。材料用薄金属箔包住，压在两片磨平的金刚石之间（见图1）。这种设置严重限制了实际测量，因为样品太小了（只有0.01毫米尺度），并且四周还有尺寸大得多的金属箔和金刚石。更重要的是，为了进行电学测量，引脚必须和样品接触，同时还要和金属箔保持绝缘。

图1 | 检测高温超导。Drozdov等人在文章（Drozdov, A. P. et al. Nature 569, 528–531 (2019).）中描述了一项实验，将少量镧样本用薄金属箔包住，放进一个充满了液态氢（图中未画出）的腔内。四个引脚和样品接触，但是用绝缘材料和金属箔保持绝缘。样品被两片金刚石挤压，在高压下转化成氢化镧。作者用这种装置证明了氢化镧在250K的温度、100多万倍大气压下会产生超导。

作者克服了这些实验上的挑战，获得了至关重要的证据来证明氢化镧的高温超导性。为了证明某种材料确实具有超导性，科学家通常会验证三种特征：零电阻，有磁场的时候临界温度会降低，以及降温时材料内部会排斥磁场（这被称为迈斯纳效应）。Drozdov等人检测到了前两项超导特性。最后一项——迈斯纳效应——因为样品太小，目前无法观察到。

在富氢化合物中寻找高温超导材料可以追溯到2004年的一些预测。这些预测背后的理论认为，在某些条件下，原子质量低的元素有助于提高临界温度。氢是最轻的元素，因此对于高临界温度是最佳的。因为同样的逻辑，将氢换成更重的同位素氘应会让临界温度降低。Drozdov等人观察到了同位素的这种效果，并发现氘化镧和氢化镧相比，临界温度的减少值和理论预测出的几乎完全一样。

从科学的角度说，这些结果意味着我们发现超导材料的模式或许将迎来转变，从利用实践规律、直觉或运气，变成有切实的理论预测作为指导。超导的临界温度一直被认为是最难准确计算的性质之一。但是硫化氢和氢化镧的实验都是受到了计算结果的启发，计算预测出了所需的压力和最终的临界温度。这些优秀的理论成果是由创新性的计算方法驱动的，而这又是由于计算力的进步才得以实现的。

在100多万倍大气压下才能获得的微量超导材料有什么实际意义呢？答案取决于是否可以在常压下恢复超导性质。金刚石本身就是高压下产生而常压下能稳定存在的亚稳态材料。制造合成金刚石为发展高压技术提供了强大的动力。但是现在合成金刚石可以在低压下使用化学气相沉积法制成。理想情况下，最早在高压下发现的亚稳态超导化合物之后也可能可以采用类似的低压制备法。

在接下来的几年里，科学实验可能会注重于寻找高压下的其他富氢超导材料。由于目前在极端高压下只实验过一小部分可能的富氢系统，室温超导的梦想或许很快就能成为现实。到那个时候，终极目标就会从提高临界温度变成降低所需压力了。

原文以Superconductivity near room temperature为标题

发布在2019年5月22日《自然》新闻与观点上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-01583-y

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