15℃！人類首次實現高壓下室溫超導，研究登上Nature封面
机器之心發表於2020-10-15
「室溫超導有可能實現嗎？」這個問題困惑了人們許多年。而最新一期的 Nature 雜誌封面研究給出了肯定的答案，該研究製造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導體。這項研究從投稿到接收僅用了不到十天的時間，並登上了最新一期 Nature 雜誌的封面，或可說明其重要性和突破性，畢竟實現室溫超導對於人類而言尚屬首次。
超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性，這一特徵也使得超導在現實中得以應用，但它對溫度有較為嚴格的要求。那麼，在非低溫條件下，能否實現超導呢？最近，來自美國羅切斯特大學、英特爾、內華達大學拉斯維加斯分校的研究者給出了肯定的答案。「室溫超導問題」經過了數十年的探索，本週來自羅切斯特大學等機構的研究者稱他們製造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導體，不過新的室溫超導體只能在相當於地心壓力四分之三的環境下工作。但是如果研究者能夠讓材料在環境壓力下保持穩定，那麼理想的超導電性應用就能夠實現，例如用於核磁共振儀和磁懸浮列車的低損耗電力線以及不需要製冷的超功率超導磁體。
研究團隊領導者、羅切斯特大學物理學家 Ranga Dias。該研究發現了能夠在室溫下以最佳效率導電的材料，這可以說是一項科學裡程碑事件。該研究發現，氫元素、碳元素、硫元素的化合物可在高達 59 華氏度（15 攝氏度）的溫度下作為超導體執行，比去年的高溫超導紀錄高出 50 華氏度。劍橋大學物理學家 Chris Pickard 認為：「這是人類科學史上的里程碑」。但加州大學聖地亞哥分校物理學家 Brian Maple 表示：「由於實驗條件極端，這項發現無法用於裝置製造。」1911 年，荷蘭物理學家 Heike Kamerlingh Onnes 在一條汞絲中首次發現了超導性，該汞絲被冷卻至 4.2K（-269 攝氏度）。1957 年，物理學家 John Bardeen、Leon Cooper 和 Robert Schrieffer 從理論角度解釋了這一現象：他們提出的「BCS 理論」表明，透過超導體壓縮的電子會暫時使材料的結構變形，從而在沒有電阻的情況下調換另一電子。1986 年物理學家發現，在不同的材料中，氧化銅陶瓷的超導性存在於更高的臨界溫度，即 Tc=30K（約 - 243 攝氏度）。1994 年，研究人員將壓力下汞基氧化銅的 Tc 提升至 164K（約 - 109 攝氏度）。電子仍會在銅氧化物超導體中配對，但是其如何實現超導仍屬未知。1968 年，康奈爾大學的理論學家 Neil Ashcroft 提出固體氫應該具備室溫超導性。許多研究團隊聲稱可以使用金剛石壓砧製造這類金屬氫，這種手掌大小的裝置將兩個氫樣本置於兩個金剛石尖端之間，在強壓下進行壓縮。但是這些研究存在爭議，部分原因是壓力太大（超過地心壓力），以至於常常造成金剛石破裂。2004 年，Ashcroft 提出將氫與另一種元素結合可能會增加一種「化學預壓縮」，從而在較低的壓力和更高的溫度下實現超導性。這一策略發揮了作用。2015 年，Mikhail Eremets 領導的馬克斯 · 普朗克化學研究所研究團隊在 Nature 發表文章稱，在 155 GPa 高壓（地球大氣壓力的 100 多萬倍）下，H3S 結構的超導臨界溫度是 203K（約為 - 70℃）。2019 年，Eremets 等人將含鑭富氫化合物的超導臨界溫度提升到了 250K（約 - 23℃）。但是一旦壓力釋放，所有化合物就都會分解。此次突破性研究的領導者 Ranga P. Dias 及其同事認為，他們可以透過新增第三種元素碳進一步提高超導臨界溫度，碳元素與臨近原子形成強鍵。團隊成員之一、內華達大學拉斯維加斯分校物理學家 Ashkan Salamat 表示他們是在「蒙著眼摸索」。他們將碳和硫元素共同碾磨而成的微小固體顆粒裝載到金剛石壓砧中，然後用管道輸入氫氣、硫化氫和甲烷 3 種氣體。接著，他們使用綠色鐳射照射金剛石，從而觸發化學反應，將混合物轉化為透明晶體。
當團隊將壓力提升到 148 GPa 時，發現晶體的超導臨界溫度變成了 147K（約 - 126℃）。當壓力提升到 267 GPa 時，團隊實現了 287K（13.85℃）的超導臨界溫度，這相當於較冷房間或理想酒窖的室溫。同時，磁場度量也表明樣本具有超導性。
最終研究結果顯示，光化學轉化的碳硫氫（carbonaceous sulfur hydride, C-S-H）系統的超導臨界溫度在 267±10 GPa 下最高可以達到 287.7±1.2K（約 15℃）。對於 Dias 團隊的研究，Eremets 認為結果看起來是可信的。但是，他指出，Dias 團隊尚未確定超導化合物的精確結構。研究者將很快著手解決這個問題，並且可能也會嘗試將其他元素替換為三組分氫基混合物，從而產生溫度更高的超導體。布法羅大學的理論學家 Eva Zurek 表示：「接下來大家都會開展這方面的研究。」Eremets 補充道，研究的最終目標是找到一種壓力釋放時依然能夠保持穩定的室溫超導體。如果能做到這一點，研究結果可能會改變人們的日常生活。Dias 認為這實際上是有可能實現的。但是，在理論上並沒有什麼辦法使氫基材料在環境壓力下工作。所以，Zurek 認為，未來未必存在明確的前進道路。https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achievedhttps://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9558315https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z