硬核！Nature论文被撤稿后，再发Nature！室温超导再次轰动全球！

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超导材料所表现出的无电阻特性在常温常压条件下具有巨大的应用潜力。尽管进行了数十年的密集研究，但这样的状态还没有实现。在环境压力下，铜酸盐是表现出超导最高临界超导转变温度(Tc)的材料类别，最高可达133 K。在过去的十年中，以氢为主的合金的高压“化学预压缩”引领了对高温超导性的研究，已证明在兆巴（megabar）压力下，Tc接近二元氢化物中的水的冰点。三元富氢化合物，如碳质硫氢化物，为潜在地改善超导氢化物的性能提供了更大的化学空间。

2023年3月8日，罗切斯特大学Ranga P. Dias团队在Nature 在线发表题为“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”的研究论文，该研究报告了氮掺杂氢化镥在10 kbar的最大Tc为294 K的超导性的证据，即在室温和近环境压力下的超导性。该化合物在高压高温条件下合成，然后在完全回收后，沿压缩路径检测其材料和超导性能。

这些包括有和没有施加磁场的温度依赖性电阻，磁化(M)与磁场(H)曲线，交流和直流磁化率，以及热容测量。X射线衍射(XRD)、能量色散X射线(EDX)和理论模拟为合成材料的化学计量学提供了一些见解。然而，还需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的确切化学计量，以及它们各自的原子位置，以更大的努力进一步了解材料的超导状态。

不过，2020年10月14日，罗切斯特大学Ranga P. Dias团队在Nature 在线发表题为“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”的研究论文，该研究报告了从元素前体开始的光化学转化的碳质硫氢化物系统中的超导性，在 267 ± 10 吉帕斯卡下达到的最大超导转变温度为 287.7 ± 1.2 开尔文（约 15 摄氏度）。在 140 至 275 吉帕斯卡的宽压力范围内，在金刚石砧座单元中观察到超导状态，转变温度在 220 吉帕斯卡以上时急剧上升。超导性是通过观察零电阻、高达 190 吉帕的磁化率以及在高达 9 特斯拉的外部磁场下转变温度降低而建立的。氢的光、量子性质限制了通过 X 射线散射技术对系统的结构和化学计量测定，但拉曼光谱用于探测金属化之前的化学和结构转变。总之，在三元系统中引入化学调谐可以在较低压力下保持室温超导的特性。但是，在2022年9月27日，该文章被撤回，主要原因是结论不可靠，没有作者同意撤稿（点击阅读）。

长期以来，人们一直预测致密的单质氢是一种非常高温的超导体，然而所需的极高压力给确认这些超导相带来了挑战。超氢化物材料有望在低得多的压力下保持致密单质氢的超导特性。CaH6中220-235-K超导转变温度(Tc)在150 GPa的预测，以及H3S中203-K Tc在155 GPa的分水岭发现，引发了一场材料发现的热潮，目前，几乎所有可能的高压氢化物体系的二元体系都已建模。最近对YH6异常高Tc的观测表明，在较低的氢含量和较低的压力下，可以实现高温超导。

由于主要的发现都是在大于兆巴的压力下发现的，因此目标已经转移到进一步降低所需的压力，重点是三元氢化物化合物的巨大样品空间。在金属氢化物中作为掺杂剂的轻元素，预计有两个主要的有益影响。LaBH8预计将稳定到20-40 GPa，同时保持其高温超导性，金属-硼-碳包合物预计将在环境压力下保持其超导性。通过引入第三种元素来增加Tc的稳定性，为在亚兆巴压力下将氢化物超导体推到更高的Tc值提供了可能性。

近环境压力下镥-氮-氢的超导性（图源自Nature ）

由于三元稀土氢化物中有大量的相空间未被模拟开发，目前需要合理的化学设计来确定下一个候选材料。对La和Y二元超氢化物进行了预测和测量，采用类似的高压化学计量和相，在等效压力下显示出更高的Tc。Y3+阳离子的较小尺寸为这种行为提供了一个简单的化学原理。然而，具有更小离子半径的Sc氢化物被预测具有完全不同的结构和更低的Tc。结合轻原子掺杂的好处和价态中4f电子的存在，可以提高富氢稀土氢化物在较低压力下的稳定性，同时有可能增强其超导性能。

镥-氮-氢体系的温度依赖性和场依赖性电阻及V-I行为（图源自Nature ）

该研究给出了一个三元镥-氮-氢化合物在294 K和10 kbar压力下的超导性的实验证据，其中一个完整的4f壳的结合以及氮的电子捐赠和化学压力推动了氮掺杂氢化镥的Tc和压力稳定性进入近环境状态。测量的超导性能是在零温度下，基于Ginzburg-Landau (GL)模型，在上临界磁场为88特斯拉的外部磁场下，观测到零电阻、交流磁化率和直流磁化率以及场冷却，磁化强度M-H曲线、热容、电压-电流(V-I)曲线以及Tc的降低。通过元素分析、EDX测量、XRD、拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)模拟对其组成和结构进行了研究。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

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