深度解析室溫超導(dǎo)實驗

這篇刊登在《自然》封面的研究，和之前的研究思路并沒有太大區(qū)別，它唯一的重要性就是把臨界溫度紀(jì)錄又提高了。“最終總有一天，我們有希望在這一類材料里面達(dá)到室溫下穩(wěn)定的超導(dǎo)材料，而不再需要這么高的壓力條件，那個時候超導(dǎo)研究的歷史性突破就真的實現(xiàn)了?！?/p>

室溫超導(dǎo)體材料能夠在無需冷卻的條件下零電阻導(dǎo)電，一旦實現(xiàn)，將對我們的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、高精尖物理科研設(shè)備、量子計算、通信設(shè)備等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。

百余年來，科學(xué)家們一直在探索超導(dǎo)的理論極限，據(jù)統(tǒng)計，通過超導(dǎo)研究直接獲得諾貝爾獎的科學(xué)家已有 10 位，其重要性可見一斑。美中不足的是，之前所有超導(dǎo)體均需要在極低的冷卻溫度環(huán)境下才能工作，這大大限制了它作為一項利基技術(shù)進(jìn)行大范圍應(yīng)用的步伐。

最近 5 年，室溫超導(dǎo)作為終極沖刺目標(biāo)，世界各國科研團(tuán)隊在實驗室中展開了超級競賽，其中一個團(tuán)隊終于刷新紀(jì)錄。

10 月 15 日，《自然》雜志以封面報道形式刊登了這項成果，新發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為“第一個室溫超導(dǎo)體”，論文通訊作者為美國羅切斯特大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的助理教授蘭加 ? 迪亞斯（Ranga Dias），他們報告了一種含有氫、硫和碳的化合物，可在高達(dá) 287.7±1.2K（約 15°C）的臨界溫度下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)性。與之對照，上一次實現(xiàn)的最高超導(dǎo)臨界溫度紀(jì)錄是 260K（約 - 13.15°C），由喬治華盛頓大學(xué)和華盛頓卡內(nèi)基研究所的一個競爭小組在 2018 年實現(xiàn)。

與之前的超導(dǎo)實驗類似，這次實驗需要極高的壓力。羅切斯特大學(xué)的新紀(jì)錄是在高達(dá) 267±10 吉帕（GPa，109帕斯卡）的壓力條件下實現(xiàn)，這大約為 250 萬個大氣壓，是地下 4500 公里深處的壓力。

這一突破是否意味著室溫超導(dǎo)時代即將到來？

超導(dǎo) “升溫” 百年角逐

1911 年，科學(xué)家們最早觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。第一批超導(dǎo)體材料只有在極冷的溫度下才會失去電阻，最初實驗溫度接近絕對零度。零 K，也即 - 273.15℃。此后數(shù)十年，科學(xué)家經(jīng)過一系列努力，緩慢地將這個溫度提升至 23.2K。

到上世紀(jì) 80 年代，物理學(xué)家們試圖通過各類材料組合探索所謂的 “高溫” 超導(dǎo)體，超導(dǎo)材料家族擴(kuò)展到包括金屬和合金、銅氧化物、重費(fèi)米子、有機(jī)超導(dǎo)、鐵基超導(dǎo)體以及其他氧化物超導(dǎo)體等，逐步把超導(dǎo)材料的臨界溫度提升上來。

1986 年，設(shè)在瑞士蘇黎世的美國 IBM 公司研究中心報道了一種鑭鋇銅氧化物，具有 35K 的高溫超導(dǎo)性，標(biāo)志著新一類銅氧化物高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)。此后多個研究團(tuán)隊開始陸續(xù)公布進(jìn)展。

科學(xué)家麥克米蘭曾根據(jù)獲 1972 年諾貝爾獎的 BCS 理論計算，認(rèn)為超導(dǎo)臨界溫度最高不太可能超過 40K（約 - 233℃），他的推算得到了國際學(xué)術(shù)界的普遍認(rèn)同，40K 因此被稱為“麥克米蘭極限”，成為超導(dǎo)材料要跨越的一個標(biāo)志性溫度。1986 年，美國貝爾實驗室報告的超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度就達(dá)到了 40K。

極限仍未結(jié)束。1987 年，中國科學(xué)家趙忠賢研究團(tuán)隊和美國朱經(jīng)武、吳茂昆團(tuán)隊各自獨(dú)立在釔鋇銅氧系材料（Ba-Y- Cu-O）中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性，并把超導(dǎo)臨界溫度從 40K 迅速提升到 93.2K，大大突破了麥克米蘭極限，銅氧化物成為第一個真正意義上的高溫超導(dǎo)家族，而趙忠賢等人的發(fā)現(xiàn)，也使得超導(dǎo)體所必須的低溫環(huán)境，可由原本昂貴的液氦替代為便宜而好用的液氮來創(chuàng)造，液氮溫區(qū)超導(dǎo)體為超導(dǎo)材料實用化打開了大門。

最新的這項研究，其實是幾十年前科學(xué)家們曾預(yù)測的另一個方向，即氫元素在受到充分?jǐn)D壓時，可能在室溫下變成金屬，然后變成超導(dǎo)體。

2015 年，德國物理學(xué)家米哈伊爾 · 埃雷梅茨 (Mikhail Eremets) 研究小組曾報告， 硫化氫可在 203K（約 - 70°C）溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)電性，但需要施加高壓到 220 萬個大氣壓才能實現(xiàn)，但這個數(shù)值突破了銅氧化物超導(dǎo)材料保持多年的 164 K 紀(jì)錄，這意味著在極端高壓下，氫元素化合物中存在高溫超導(dǎo)可能。

2017 年，時任哈佛博士后研究員的迪亞斯（Dias）和哈佛物理教授伊薩克 · 席爾瓦（Isaac Silvera）報告說，他們已經(jīng)制造出了人們長期以來所追求的氫金屬形式，這種說法一直未被復(fù)制，許多業(yè)內(nèi)專家對此持懷疑態(tài)度。

但科學(xué)家們也在同步研究氫與另一些元素的混合，希望其他元素的原子間的鍵有助于把氫壓縮在一起。

到 2018 年，德國化學(xué)家發(fā)現(xiàn)十氫化鑭在壓力 170GPa，臨界溫度 250K（-23℃） 下有超導(dǎo)性出現(xiàn)。2019 年，美國科學(xué)家馬杜里 · 索馬亞祖魯 (Maddury Somayazulu) 研究組宣布，在 190 萬個大氣壓下，可以在 260K（約 - 13.15°C）時實現(xiàn)超導(dǎo)電性，成為超導(dǎo)臨界溫度的最高紀(jì)錄，而氫化鑭也被視為迄今為止最接近室溫超導(dǎo)的材料方向。

懸而未決的神秘材料

關(guān)于這項 “首次實現(xiàn)室溫超導(dǎo)” 的研究，作者迪亞斯在接受采訪時表示：“這是一份改變游戲規(guī)則的論文，在某種程度上奠定了新基調(diào)?！?/p>

圖｜本次室溫超導(dǎo)實驗的技術(shù)原理（來源：Nature）

但為了制造這種超導(dǎo)體，科學(xué)家們不得不將兩顆鉆石對頂砧間的物質(zhì)擠壓到每平方英寸近 4000 萬磅的壓力，將碳和硫按一比一的比例混合，把混合物碾成小顆粒，然后在注入氫元素的同時將這些小球擠壓在兩顆鉆石對頂砧之間，激光照射在化合物上幾個小時，以打破硫原子之間的鍵，從而改變該物質(zhì)樣品的化學(xué)性質(zhì)和電子特性，由此產(chǎn)生了一種微小晶體，直徑約為 30 萬分之一米，雖然在低壓下極不穩(wěn)定，但它是超導(dǎo)的。

這種化合物起超導(dǎo)作用的研究條件極其苛刻，科學(xué)家們甚至不清楚他們到底合成了什么化合物，但他們表示正在開發(fā)新的工具來弄清楚這種新超導(dǎo)物質(zhì)的特性，并且樂觀地認(rèn)為，一旦他們能夠做到這一點(diǎn)，他們將能夠調(diào)整組合成分，使化合物即使在較低的壓力下也能保持超導(dǎo)穩(wěn)定性。

研究人員表示，即使壓力能降低一半，比如 100GPa，達(dá)到亞穩(wěn)定狀態(tài)，也將使工業(yè)化應(yīng)用成為可能，例如更精確的磁傳感器可用于礦產(chǎn)勘探，也可以用于檢測大腦腦神經(jīng)元的放電，此外還可以制造新的數(shù)據(jù)存儲材料。

未來，如果這些材料能從微小的加壓晶體擴(kuò)大到更大的尺寸，不僅能在室溫下工作，而且能在常規(guī)環(huán)境壓力下工作，那將是一個更深刻的技術(shù)轉(zhuǎn)變，人類將正式邁入室溫超導(dǎo)時代。

新發(fā)現(xiàn)的 “神秘” 超導(dǎo)材料，溫、壓極限會達(dá)到什么程度？在如此高的臨界溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)，其工作機(jī)理又是什么？真正有趣和重要的問題依舊懸而未決，有待進(jìn)一步解析。

解析人類第一次 “室溫超導(dǎo)” 實驗

針對這項超導(dǎo)研究最新進(jìn)展，中國科學(xué)院物理研究所副研究員、科普作家羅會仟為 DeepTech 介紹了超導(dǎo)研究領(lǐng)域的一些相關(guān)趣事和趨勢。

羅會仟表示，很明顯，紀(jì)錄是再次刷新了，但其研究思路其實并不具有太多顛覆性，不值得我們太過震驚。

這一類相關(guān)研究大概是從 2015 年就開始了，即上文提到的德國物理學(xué)家米哈伊爾 · 埃雷梅茨研究小組提出的硫化氫材料，約在 220 萬個大氣壓下，把超導(dǎo)臨界溫度紀(jì)錄提升到了 203K。

“在高壓下測出來的數(shù)據(jù)質(zhì)量通常非常差，首次出現(xiàn) 203K 的紀(jì)錄爭議很大。大家不相信到什么程度？當(dāng)時我是親身經(jīng)歷的，那位德國的老教授在一場國際大會上做報告，會場下面約有 100 多位業(yè)內(nèi)人士，沒有一個人提問，什么意思？大家默認(rèn)這個結(jié)果可能是假的，行業(yè)對于這種夸大的假報道已經(jīng)特別疲勞，甚至懶得問了?！绷_會仟回憶道。

但后來經(jīng)過驗證，2015 年德國團(tuán)隊能實現(xiàn) 203K 的超導(dǎo)確有其實，在此方向上，2019 年美國科學(xué)家馬杜里 · 索馬亞祖魯進(jìn)一步在 260K 實現(xiàn)超導(dǎo)電性。今天這篇刊登在《自然》封面的研究，和此前兩種材料相比很類似，研究思路并沒有太大區(qū)別，它唯一的重要性就是把臨界溫度紀(jì)錄又提高了。

圖｜羅會仟簡介（來源：中國科學(xué)院物理研究所）

“大家總會有一種想法，就是我們要去破紀(jì)錄。這項實驗需要高達(dá) 250 萬個大氣壓，更高的壓力才能實現(xiàn)更高的超導(dǎo)臨界溫度，區(qū)別就是他們在原先氫、硫元素基礎(chǔ)上，又加了碳元素進(jìn)去，至于形成了什么，現(xiàn)在還不知道。但這篇論文從投稿到接收刊登只用了 10 天時間，我覺得最主要的原因是其報告中的數(shù)據(jù)質(zhì)量非常好。他們同時展示了對全新超導(dǎo)材料電的測量、磁的測量乃至光譜的測量分析，如此高壓下測量這些數(shù)據(jù)是非常難的，全世界沒幾個團(tuán)隊能做到，而且他們刷新了一個新紀(jì)錄?！绷_會仟表示。

上世紀(jì) 80 年代發(fā)現(xiàn)的銅氧化物超導(dǎo)體為實現(xiàn)室溫超導(dǎo)帶來了希望，但經(jīng)過 30 多年的研究，其在常壓下 134K，高壓下 164K 的臨界溫度很難進(jìn)一步提高，而且非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理至今仍不甚明晰。另一方面，根據(jù) BCS 理論，人們預(yù)期如果在高壓下能獲得金屬氫或高度富氫材料可能會實現(xiàn)高溫甚至室溫超導(dǎo)，成為了研究熱門。

其實最近，中國科學(xué)院物理研究所 / 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心也有新的相關(guān)進(jìn)展，他們克服了高壓技術(shù)難點(diǎn)，通過在 70 微米的鉆石對頂砧臺面上采用氨硼烷作為氫源，利用激光加熱使其分解產(chǎn)生氫氣并與放置在金剛石對頂砧壓腔內(nèi)的鑭（La）金屬薄片反應(yīng)，在 165GPa 壓力下，得到了臨界溫度為 240-250K 的近室溫超導(dǎo)材料。

這個實驗不僅成功重復(fù)了之前德國和美國研究組發(fā)現(xiàn)的氫化鑭高溫超導(dǎo)體，而且還發(fā)展了利用金剛石對頂砧開展百萬大氣壓高壓下的原位激光加熱與標(biāo)準(zhǔn)四電極電阻測試技術(shù)，該研究于 2020 年 10 月 10 日在中國科學(xué)院物理研究所官網(wǎng)進(jìn)行了披露。

“這個研究方向的競爭是很激烈的。”羅會仟介紹，這類金屬氫或高度富氫材料超導(dǎo)研究的挑戰(zhàn)非常多，要克服的第一關(guān)就是元素的結(jié)合，比如實驗中提到的碳、氫、硫，氫在常溫常壓下是氣體，要冷卻到很低的溫度變成液體，這種狀態(tài)還要裝進(jìn)樣品里面去，而且金剛石頂砧平臺尺寸是微米量級的，操作精確度和難度可想而知，且稍有不慎氫元素容易造成爆炸，損毀實驗設(shè)備。

其次，是合成樣品的過程，這些元素并不是單純的用高壓壓一下就出來了，這個過程又不能直接用火焰什么的加熱，需要用激光透過金剛石折射對樣本進(jìn)行加熱，在高壓下同步掌控溫度變化進(jìn)行合成觀察。

第三，合成之后其實還不知道有沒有成功出現(xiàn)超導(dǎo)材料，需要在如此苛刻的條件下進(jìn)行全面的檢測實驗，以測出數(shù)據(jù)證明這個材料是合成了，且具備超導(dǎo)體特性。

“盡管失敗率非常高，在這項實驗中，他們最終確實合成了一種不同于以往的新超導(dǎo)材料。這類實驗，包括中國在內(nèi)，全世界大概只有三、五家實驗室能夠做到。在這條室溫超導(dǎo)材料里面繼續(xù)探索，未來有望把壓力逐步降低，最終總有一天，我們有希望在這一類材料里面，利用這個材料本身內(nèi)部的化學(xué)壓力，或者這個材料本身的結(jié)構(gòu)特殊性，就能夠達(dá)到室溫下穩(wěn)定的超導(dǎo)材料，不再需要這么高的壓力條件，那個時候超導(dǎo)研究的歷史性突破就真的實現(xiàn)了?！?/p>

羅會仟認(rèn)為，從實際意義上考慮，我們對于超導(dǎo)材料的研究，并不只局限于提高超導(dǎo)的臨界溫度，這只是一個指標(biāo)，例如這項實驗中如此高的特定壓力條件，在現(xiàn)實中幾乎是無法使用的。其實過去數(shù)十年的研究重點(diǎn)，科學(xué)家們最希望找到的是實用化的超導(dǎo)體。

最理想的結(jié)果，這個材料在常溫常壓下能用，或者在一定低溫下也無所謂，關(guān)鍵是得好用，例如在液氮環(huán)境下工作，是可以接受的。而之所以超導(dǎo)材料目前的應(yīng)用依然十分有限，一個原因是我們光提高這個多少 K 的超導(dǎo)臨界溫度是不夠的，涉及到產(chǎn)業(yè)使用還有很多實際問題，比如要做成電纜線，需要各種彎曲拉伸，或者做成線圈，金屬材料可以隨便用，但高溫超導(dǎo)材料可能折一下就碎了。為了克服這些困難，把超導(dǎo)材料變得好用，以及能夠跟金屬材料復(fù)合，物理學(xué)家做了很多的事情來提升它的物理特性。

“在超導(dǎo)應(yīng)用中最貴的部分并不是超導(dǎo)材料本身，而是因為高溫超導(dǎo)材料本身機(jī)械性能、力學(xué)特性等不太好的地方，我們需要花很大的精力和投入進(jìn)行彌補(bǔ)，其附屬的材料與合成工藝可能比超導(dǎo)材料本身還要貴，超導(dǎo)僅有一個指標(biāo)高是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這是一項系統(tǒng)性的復(fù)雜工程?！绷_會仟解釋道。

如果更先進(jìn)的室溫超導(dǎo)材料得以實現(xiàn)，其對各行業(yè)的顛覆性十分值得期待，羅會仟簡要介紹了幾個相關(guān)的重要領(lǐng)域。

比如，醫(yī)院的核磁共振成像設(shè)備，在強(qiáng)磁場下可以實現(xiàn)對大腦中單個神經(jīng)元級別的超高分辨率；實現(xiàn)無能量損耗的超導(dǎo)輸電和儲能系統(tǒng)；發(fā)展能量更高的高能粒子加速器；在移動通訊領(lǐng)域用性能更好的濾波器；促進(jìn)太赫茲偵測技術(shù)發(fā)展；研發(fā)新一代的超導(dǎo)量子計算機(jī)；人們出行能甚至可能乘坐達(dá)到 600 公里以上時速的超導(dǎo)磁懸浮列車 ······

自 1911 年，荷蘭科學(xué)家?？?· 卡末林 · 昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性，至今已跨越 109 年，科學(xué)家們?yōu)樽分?“室溫超導(dǎo)” 夢一直孜孜不倦。以今天為起點(diǎn)，下一個百年或許將愈發(fā)激動人心。

參考：

https://www.nytimes.com/2020/10/14/science/superconductor-room-temperature.html

https://www.technologyreview.com/2020/10/14/1010370/room-temperature-superconductivity/

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：深度解讀“人類首次實現(xiàn)室溫超導(dǎo)”：思路并無突破，中國并不落后

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