文丨学术头条

10 月 14 日，本周最新一期《自然》封面，介绍了罗彻斯特大学发表的一篇重磅论文，研究人员创造出一种氢化物材料，首次在高达 15 摄氏度的温度下，观察到常温超导现象。

这是高温超导材料的全新记录，这一突破性进展也代表着，人类向着长久以来希望创造出具有最优效率电力系统的目标又迈近了一步。

图｜最新一期 Nature 杂志封面

超导现象指电能可以在超导材料中零电阻通过，但是，这种超导效应以前只是在接近绝对零度的温度下才能观察到。而如果能够实现常温超导，则全球化电力供应的梦想将成真。

论文通讯作者、罗彻斯特大学物理和机械工程助理教授 Ranga Dias 表示，开发在室温下没有电阻和磁场驱逐的超导材料，是凝聚态物理学的 “圣杯”。无数科学家已经寻找了一个多世纪。一旦找到，这些材料 “绝对可以改变我们所熟悉的世界。”

“由于低温的限制，具有如此优异性能的材料并没有像许多人想象的那样彻底改变世界。然而，我们的发现将打破这些障碍，并为许多潜在的应用打开大门。”Dias 说。

物理学家梦寐以求的室温超导材料

超导现象在 1911 年首次被发现，它赋予了材料两个关键的特性：电阻消失和完全抗磁性。完全抗磁性又称迈斯纳效应，指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象。

强大的超导电磁元件已经成为磁悬浮列车、核磁共振成像 (MRI) 和核磁共振 (NMR) 机器、粒子加速器和其他先进技术的关键部件，包括早期的量子超级计算机。

但是，这些设备中使用的超导材料通常只能在极低的温度下工作——这比地球上的任何自然温度都低。这一限制也使得维护它们的成本很高，而且扩展到其他潜在应用程序的成本太高。

“将这些材料保持在低温下的成本太高，你无法真正充分利用它们，”Dias 说。

在此之前，超导材料的最高温度是 2019 年德国马克斯・普朗克化学研究所和伊利诺斯大学芝加哥分校的实验室里达到的。当时，该小组报告了用镧-氢化物在零下 23℃左右下的超导性。

近年来，研究人员还探索了铜氧化物和铁基化学物质作为高温超导体的潜在候选者。然而，作为宇宙中最丰富的元素，氢也是一种很有希望的元素。

“要实现高温超导体，你需要更强的化学键和更轻的元素。这是两个非常基本的标准，” Dias 解释道，“氢是最轻的材料，氢键是最强的化学键之一。从理论上讲，固体氢具有德拜特征温度和强电子 - 声子耦合，这是室温超导所必需的。”

然而，仅仅是将纯氢转化为金属状态就需要非常高的压力。2017 年，哈佛大学教授艾萨克・西尔维拉 (Isaac Silvera) 和当时在西尔维拉实验室做博士后的 Dias，首次实现了这一目标。

而这次为了创造新的记录，Dias 在罗彻斯特大学的实验室将氢、碳和硫元素，在一个金刚石压腔中（用于在极高压下极微量材料的实验装置）通过光化学合成简单的碳质硫氢化物，将可以实现零电阻的温度提高到了 15 摄氏度。

这也是人类第一次在室温下观察到具有超导特性的材料。

意义重大，挑战也更大

“我们生活在一个半导体社会，有了这种技术，你可以把社会带入一个超导社会，在那里你再也不需要电池之类的东西。” 这项发现的论文共同作者、内华达大学拉斯维加斯分校的 Ashkan Salamat 说。

但是，这次研究人员创造出的常温超导材料，也有存在一些严重的限制。

他们观察到的超导现象，是在 2670 亿帕压力条件下实现的，而这个压力约是标准胎压的一百万倍。这一压力目前只能在接近地球中心的极高压力下存在，而且，他们在金刚石压腔中产生超导现象的材料数量，是及其微量的，只能用皮升来表示（1 皮升大约是 10^-9 毫升），这都意味着这一材料不会立即有任何实际应用。

尽管如此，物理学家还是希望它能为开发在低压下工作的零电阻材料铺平道路。研究人员表示，他们的下一个目标，将是在环境压力下观察常温超导现象。

在研究人员的这套系统中，激光和压力被用于将前体元素（碳、硫和分子氢）转化为超导材料。当降低实验温度时，通过该材料的电流电阻降至零，表明该样品已经具有超导性，然后，他们开始增加压强，超导临界温度随压力增加而上升，达到了实验中实现的最高压力值。

研究人员认为，通过化学方式控制上述系统，或有助于降低所需的压力。“下一个挑战是找到在较低压力下制造常温超导材料的方法，这样就可以在更大的产量上节省成本。”Dias 说。

据了解，Dias 等人还创办了一家新公司，名为 Unearthly Materials，旨在寻找一种在环境压力下可规模化生产的常温超导体。

但是，马克斯·普朗克研究所的物理学家 Mikhail Eremets 警告说，关于这种物质还有很多未知。“还有很多事情要做。”

纽约州立大学布法罗分校的计算化学家 Eva Zurek 表示，由氢和另一种元素构成的高压超导体已经被人们很好地理解。研究人员也用电脑模拟了碳、氢和硫的高压混合物，但是这些研究不能解释 Dias 小组观察到的异常高的超导温度。

“我相信，在这篇论文发表后，许多理论和实验小组都会对这个问题进行研究。”

参考资料：

https://phys.org/news/2020-10-room-temperature-superconducting-material.html

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z