-23℃ 實現(xiàn)超導(dǎo) —— 最近，人類高溫超導(dǎo)紀錄被刷新！

該突破由德國馬普化學(xué)研究所的 Mikhail Eremets 與其同事帶來，他們在 250K （ -23℃ ）溫度下實現(xiàn)了 LaH10 （氫化鑭 ）的超導(dǎo)性。這項成果使我們真正意義上接近了室溫超導(dǎo)。

圖丨 Mikhail Eremets （來源：Max-Planck-Institut für ChemieCarsten Costard）

人類苦苦追尋的一座“圣杯”

眾所周知，超導(dǎo)性是一種奇怪的零電阻現(xiàn)象，是指導(dǎo)電材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近于 0 的性質(zhì)。超導(dǎo)已有了一些重要的實際應(yīng)用，如用于醫(yī)院里的核磁共振成像、高能加速器、磁約束核聚變裝置等，但長期以來，制約超導(dǎo)體廣泛應(yīng)用的一個主要瓶頸是，最佳超導(dǎo)體需要用液氦或液氮加以冷卻才能使用（往往冷卻至- 250 ℃）。

而研究者們苦苦追尋的“圣杯”則是能夠在 0℃左右出現(xiàn)超導(dǎo)性的材料，也就是室溫超導(dǎo)性材料。如果這種材料一旦被發(fā)現(xiàn)，就會帶來一系列的新技術(shù)，包括超高速計算機和數(shù)據(jù)傳輸。

（來源：麻省理工科技評論）

室溫超導(dǎo)研究一直是物理領(lǐng)域的熱門話題，同時也是一大難題。

目前，超導(dǎo)研究的兩大方向包括發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料，以及在原理上闡明超導(dǎo)現(xiàn)象。其中，在提高超導(dǎo)臨界溫度的過程中，我們曾經(jīng)在 1911~1986 年年間有一定的進展，但是此后便難以再進一步提到溫度。這時候，這個數(shù)字是 23.2 K。

而在原理探索上，John Bardeen，Leon Neil Cooper 和 John Robert Schrieffer 3 位美國科學(xué)家于1957 年提出的 BCS 超導(dǎo)理論填補了很大一塊空白，三人也于 1972 年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎?；谶@一理論，科學(xué)家 McMillan (麥克米蘭) 提出，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可能存在上限，一般認為不會超過 40 K。這就是歷史上著名的麥克米蘭極限。

此后，很多科學(xué)家開始嘗試打破麥克米蘭極限，尋求超導(dǎo)溫度超過 40 K 的“高溫超導(dǎo)體”。

突破出現(xiàn) 1986 年初，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銅氧化物超導(dǎo)體。由于它的 Tc 很高，可以超過麥克米蘭極限數(shù)倍，因此被稱為高溫超導(dǎo)體。但只是超過 40k（- 233℃），離真正意義上的室溫，還有一段距離。

在今天中國科學(xué)院物理所也在對銅氧化物超導(dǎo)體的研究中作出了重大貢獻，科學(xué)家們獨立發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)銅氧化物超導(dǎo)體，并且首次在國際上公布其元素組成為Ba–Y–Cu–O。在中科院今天發(fā)表的《四十年，40項——中國科學(xué)院改革開放四十年40項標(biāo)志性重大科技成果》中，高溫超導(dǎo)位居榜首。

當(dāng)然，新的高溫超導(dǎo)理論仍需謹慎對待。但話雖如此，現(xiàn)今有關(guān)高溫超導(dǎo)記錄被打破的消息，還是值得我們更詳細地研究。

他兩度創(chuàng)造了室溫超導(dǎo)的新紀錄

在此次研究的成果中，埃雷米茨和他的同事們稱，他們已經(jīng)觀察到氫化鑭 (LaH10) 在 250 開爾文（-23 ℃）這種相對悶熱溫度下的超導(dǎo)作用。

這一溫度要比現(xiàn)在北極的溫度暖和的多。團隊表示：“我們的研究在向室溫超導(dǎo)的道路上邁出了一大步”。需要注意的是，研究樣本必須在巨壓之下才會出現(xiàn)超導(dǎo)作用，即 170 吉帕，大約是地心壓力的一半）。

埃雷米茨在這一領(lǐng)域有著相當(dāng)傲人的研究史。早在 2014 年，他就打破了高溫超導(dǎo)性的記錄。那個時候，他的團隊就能夠在-80℃，比其他材料測試高出 10℃的條件下，測量硫化氫的超導(dǎo)活動。

隨后，他又將這一記錄提高至 -70 ℃，并于 2015 年 8 月把這一成果發(fā)表在 Nature 雜志上，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們將硫化氫樣品置于極高的壓力下——約 150 萬個大氣壓，并冷卻至 -70 ℃以下，這些硫化氫樣品便會顯示出超導(dǎo)電性的經(jīng)典標(biāo)志：零電阻和邁斯納效應(yīng)。

這在超導(dǎo)研究領(lǐng)域激起了一波浪潮。美國華盛頓哥倫比亞特區(qū)海軍研究實驗室 Igor Mazin 更是將這項關(guān)于硫化氫的發(fā)現(xiàn)描述為“超導(dǎo)體的圣杯”。

但對物理學(xué)家來說，真正令人瞠目結(jié)舌的是超導(dǎo)材料的性質(zhì)。

用傳統(tǒng)超導(dǎo)體來解釋超導(dǎo)性很好理解在，傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，超導(dǎo)這一特性很好理解：正離子的剛性晶格是徜徉在電子的海洋中的正離子的剛性晶格。當(dāng)電子通過在晶格運動中的運動時，電子與晶格受碰撞而減慢速度時，就會產(chǎn)生電阻。而當(dāng)晶格冷卻到一定程度時，就會產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象，此時晶格剛性足夠強變得足夠堅硬，足以讓機械聲波（或聲子）以行波通過。這些波動在通過擴散時使晶格變形。而電子可以在這種變形上無障礙的“沖浪”，形成超導(dǎo)電流。

事實上，在低溫狀態(tài)下，電子彼此結(jié)合形成所謂的庫珀對。正是這些庫珀對在晶格中的“沖浪”，形成構(gòu)成了超導(dǎo)特性。

隨著溫度上升，庫珀對斷裂，超導(dǎo)現(xiàn)象性停止。這種變化發(fā)生的溫度被稱之為在所謂的“臨界溫度”。

在 2014 年之前，這種傳統(tǒng)的超導(dǎo)現(xiàn)象性的臨界溫度最高是大約 40k 或 -230 ℃。事實上，當(dāng)時很多物理學(xué)家認為，在更高的溫度下，這種超導(dǎo)性是不可能存在的。

這就是為什么埃雷米茨的發(fā)現(xiàn)如此特別，因為硫化氫是一種傳統(tǒng)超導(dǎo)體，許多人認為在更高溫度下發(fā)揮其超導(dǎo)性是不可能的。

埃雷米茨引發(fā)了一場狂熱的理論討論，來解釋超導(dǎo)現(xiàn)象是如何發(fā)生的。最終達成的共識就是，在硫化氫中，當(dāng)溫度降至臨界水平以下時，氫離子形成一個輸送庫珀對的零電阻晶格。

這是可以在高溫情況下發(fā)生的，因為氫很輕。這就意味著晶格可以在高溫下高速振動。但晶格也必須牢牢地固定在原地，以防止振動將其撕裂。這就是超導(dǎo)性只在高壓下起作用的原因。

從那時起，已經(jīng)有相當(dāng)多的理論和計算工作來預(yù)測其他材料能否在高溫下以同樣的方式產(chǎn)生超導(dǎo)性。其中一個很有可能的材料，就是埃雷米茨和他的同事一直在研究的氫化鑭。

不久的將來，高壓下室溫超導(dǎo)可期

這一發(fā)現(xiàn)不僅是埃雷米茨和其團隊的勝利，也是預(yù)測它的理論方法的勝利。埃雷米茨和他的同事說：“這次進步比之前的 203 k 記錄高出約 50 k，表明在不久的將來，在高壓下實現(xiàn)室溫超導(dǎo) (即 273 k) 具有真正可能性?！?

然而，還有一些工作需要完成。業(yè)內(nèi)的物理學(xué)家需要三個獨立的證據(jù)才能確信超導(dǎo)確實發(fā)生了。首先是溫度下降時電阻的特性下降。埃雷米茨已經(jīng)證明了這一點。

第二個證據(jù)是可以用更重的同位素替換樣品中的元素。這使得晶格以不同的速率振動，并相應(yīng)地改變臨界溫度。埃雷米茨和他的同事也有這方面的證據(jù)，他們用氘取代了樣品中的氫，發(fā)現(xiàn)臨界溫度正如預(yù)期的那樣，降到了 168k。

第三條證據(jù)被稱為邁斯納效應(yīng)：超導(dǎo)體應(yīng)該排除任何磁場。埃雷米茨和他的同事一直在這一點上苦苦掙扎。盡管他們確實有一些其他的磁性證據(jù)，但是他們的樣本非常小——只有幾微米寬，而且位于高壓鉆石鐵砧內(nèi)——研究人員還不能直接測量。

如果沒有這最后一個特征，物理學(xué)家們可能并不會完全接受這一成果。但他們的團隊正在為第三個證據(jù)的獲取不斷努力。

與此同時，這項研究也開辟了其他一些顯而易見的途徑。計算模型表明，釔超氫化物可以在 300k 以上的室溫下超導(dǎo) (盡管所需壓強只有在地心處比較常見)。

因此，出現(xiàn)一種或其他種類的室溫超導(dǎo)體可能并不遙遠。到了那個時候，我們的問題將是如何最好地利用它們。

參考：

https://www.technologyreview.com/s/612559/the-record-for-high-temperature-superconductivity-has-been-smashed-again/

http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1047418.html

arxiv.org/abs/1812.01561 : Superconductivity at 250 K in Lanthanum Hydride under High Pressures