來源：上海證券報(bào)

　　北京時(shí)間3月8日，由美國羅切斯特大學(xué)科學(xué)家Ranga Dias領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在美國物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議上宣布，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超導(dǎo)體（由氫、氮和镥組成的材料）在近環(huán)境壓強(qiáng)（1Gpa，一萬個(gè)大氣壓）下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。由于這一發(fā)現(xiàn)可能顛覆多個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，給人類科學(xué)文明帶來巨大改變，一時(shí)間全球科技圈為之震動(dòng)。

　　有消息稱，上述成果發(fā)布時(shí)，所在的會(huì)議室越來越擁擠，直至保安出于安全考慮在門口攔人，多位物理界人士也都被堵在門口不讓進(jìn)。

　　今日，中科院物理所在其微信公眾號上也發(fā)表了文章，科普了關(guān)于室溫超導(dǎo)的知識(shí)。

　　與此同時(shí)，A股投資圈的小伙伴們也連夜學(xué)習(xí)和重溫基礎(chǔ)物理知識(shí)，并在各個(gè)群展開熱烈討論。然而，9日上午交易時(shí)間，西部超導(dǎo)、聯(lián)創(chuàng)光電、中超控股等“超導(dǎo)概念股”卻高開低走。

　　應(yīng)用表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，復(fù)旦大學(xué)物理系教授李世燕在接受上海證券報(bào)記者采訪時(shí)表示，該發(fā)現(xiàn)還有待證實(shí)。如果被證實(shí)，由于其所需壓力也不算高（此次的合成和測試條件跟之前相比已經(jīng)寬松很多），這將是諾貝爾獎(jiǎng)級別的成果。從應(yīng)用場景來看，雖然是室溫超導(dǎo)，但是因?yàn)樾枰先f個(gè)大氣壓，其應(yīng)用的場景會(huì)極為有限。目前最重要的還是其他研究組來證實(shí)該發(fā)現(xiàn)。

　　室溫超導(dǎo)意味著什么？先要從超導(dǎo)體說起。

　　幾乎所有導(dǎo)體都存在電阻，而電阻的存在會(huì)耗費(fèi)局部電能，以熱的方式散失。這使得從日常小電器到特高壓電線，無不存在電能損耗。

　　超導(dǎo)體卻意味著一種不存在電阻的狀態(tài)。沒有電阻就不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，因此超導(dǎo)體可以應(yīng)用于大規(guī)模集成電路，制備超導(dǎo)計(jì)算機(jī)；能夠承載較大電流而不會(huì)有電流損耗，取代現(xiàn)有的高壓輸電線、制造超導(dǎo)電機(jī)等。

　　超導(dǎo)體還具有完全抗磁性和約瑟夫森效應(yīng)兩個(gè)特征。磁懸浮列車就應(yīng)用了完全抗磁性原理，列車和軌道上裝備的超導(dǎo)磁體使列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運(yùn)動(dòng)。利用約瑟夫森效應(yīng)，可以制作超導(dǎo)量子干涉儀，用于測量非常微小的磁信號。

　　早在1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時(shí)，浸泡在液氨里的金屬汞的電阻會(huì)消失。但至今，超導(dǎo)材料都未獲大規(guī)模應(yīng)用，極端溫度始終是材料進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的必備條件。

　　室溫超導(dǎo)如果能實(shí)現(xiàn)，無疑會(huì)帶來巨大突破。但早在2020年，Ranga Dias團(tuán)隊(duì)就石破天驚地宣布，研發(fā)出一種新型含碳的硫化氫材料，可在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。但這種新材料提出了另一極端條件——267GPa（267萬個(gè)大氣壓）的高壓。如此高壓的實(shí)現(xiàn)難度和成本，都遠(yuǎn)超極端溫度。

　　更具烏龍色彩的是，上述研究成果當(dāng)年曾登上《自然》封面，最終卻以撤稿結(jié)束。

　　而今，Ranga Dias團(tuán)隊(duì)研發(fā)的最新材料僅需1Gpa的壓強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)。那么，這一壓強(qiáng)數(shù)值究竟有沒有實(shí)用意義？

　　有人認(rèn)為，這種壓強(qiáng)要求仍不可能做成實(shí)用化導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)零下200度比實(shí)現(xiàn)1Gpa壓強(qiáng)更容易且更經(jīng)濟(jì)，因此室溫超導(dǎo)技術(shù)目前并沒有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。有說法稱，依靠普通等靜壓機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)1Gpa環(huán)境，超導(dǎo)商用已經(jīng)在朝我們招手。

　　3月8日的《自然》網(wǎng)站上，再次登出這一研究。但無論如何，1Gpa的室溫超導(dǎo)也同樣有待其他物理學(xué)家驗(yàn)證。甚至由于撤稿前科，這一研究成果將面臨更嚴(yán)格的審查。

　　北京時(shí)間3月9日凌晨，該研究的主要作者及論文主講人、羅徹斯特大學(xué)機(jī)械工程系和物理與天文系助理教授Ranga Dias通過郵件表示，他對其團(tuán)隊(duì)此次的全新發(fā)現(xiàn)充滿信心，他認(rèn)為這將是一項(xiàng)重塑21世紀(jì)的革命性技術(shù)。

　　不過他同時(shí)還指出，“要將我們對室溫超導(dǎo)新材料的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到任何規(guī)模的現(xiàn)實(shí)世界中，還需要幾年的艱苦工作?！?/p>

　　李世燕教授在接受上海證券報(bào)記者采訪時(shí)表示，該發(fā)現(xiàn)還有待證實(shí)，特別是該論文的作者此前已經(jīng)有兩個(gè)類似的發(fā)現(xiàn)不能被同行重復(fù)。

　　在他看來，就學(xué)術(shù)方面而言，物理學(xué)家們一直都在尋找室溫超導(dǎo)體。如果該發(fā)現(xiàn)被證實(shí)，由于其所需壓力也不算高（此次的合成和測試條件跟之前相比已經(jīng)寬松很多），這將是諾貝爾獎(jiǎng)級別的成果。

　　“從商業(yè)上來說，作者自己也成立了公司，他說得很清楚，現(xiàn)在不會(huì)把這個(gè)樣品提供給別人，他們會(huì)試圖將該材料商業(yè)化。雖然從目前合成量來說，樣品只有不到1mm，極微量，但因?yàn)楹铣蓷l件并不嚴(yán)苛，不排除后期大規(guī)模合成的可能。從應(yīng)用場景來看，雖然是室溫超導(dǎo)，但是因?yàn)樾枰先f個(gè)大氣壓，其應(yīng)用的場景會(huì)極為有限。目前最重要的還是其他研究組來證實(shí)該發(fā)現(xiàn)?！崩钍姥嗾f。

　　延伸閱讀：

　　略

　　略

　　有了上面這些預(yù)備知識(shí)，我們就可以一起來看一下這篇已經(jīng)被發(fā)表在nature上的文章了。

　　看到Dias的名字了嗎？最后一個(gè)

　　同大部分超導(dǎo)的文章一樣，Dias研究團(tuán)隊(duì)對樣品電輸運(yùn)、磁化率及比熱進(jìn)行了測量。

　　首先是電阻的測量結(jié)果，左圖中給出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測量結(jié)果，三個(gè)電壓下電阻都降低到了0，這正是超導(dǎo)體的主要特征之一，需要注意的是，這里1GPa時(shí)Tc是最高的，壓強(qiáng)越低，Tc越高，是一個(gè)令人意外的結(jié)果。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的V-I曲線。

　　這張圖是對磁化率的測量，a圖是60Oe（Oe是高斯單位制中表示磁場強(qiáng)弱的單位，可以理解為高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖，可以明顯看到其Tc為277K（4℃），b圖給出磁矩與外磁場的關(guān)系，也符合超導(dǎo)體的特征，c圖則是不同壓力下的M-T曲線，這里的Tc與電阻上的保持一致，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小，是非常好的轉(zhuǎn)變。不過在a圖中也可以看出來研究團(tuán)隊(duì)對原始數(shù)據(jù)做了一定處理。

　　這里多提一句，磁化率的測量會(huì)明顯受樣品形狀、背底等因素的測量，理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性（即4πχ=-1），但實(shí)際測量中測不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。當(dāng)然Dias的文章中并沒有約化，a圖中縱軸是磁矩，并非磁化率。

　　Dias還對比熱進(jìn)行了測量，結(jié)果如上圖所示，這里給出了10、10.5、20kbar的測量結(jié)果，可以看到，三個(gè)比熱的曲線均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc與電阻的測量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解，這個(gè)結(jié)果是合理的。不過該說不說，這個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯，尤其是10.5kbar的曲線，峰并不明顯，10kbar的轉(zhuǎn)變也尚不如20kbar明顯。這三個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變看起來也有些區(qū)別，尤其是10kbar和10.5kbar的數(shù)據(jù)，僅差了0.5kbar，但圖像差異卻很大。不過考慮是高壓下測量的，或許有一些我們不知道的困難吧。

　　Dias還給出了樣品的XRD（X射線衍射）結(jié)果，并繪制了晶胞圖像，這當(dāng)然也是必要的。

　　a圖即XRD結(jié)果，他們采用了Mo靶，紅線是理論計(jì)算的結(jié)果，圓圈是實(shí)際測量的結(jié)果，藍(lán)線是二者的誤差，看得出來，測量與計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小，樣品可以說是一個(gè)純相，Dias團(tuán)隊(duì)計(jì)算樣品占比為92.25%，雜質(zhì)為LuN1?δHε和Lu2O3。

　　b圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉紅色的是氮原子，他們給出的樣品化學(xué)式是LuH3?δNε，61kbar時(shí)空間群是Fm-3m和Immm，但Dias認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者。

　　最后是該樣品的超導(dǎo)相圖（原文這是第一張圖），Tc隨著壓強(qiáng)升高而減小，這是出乎大家意料之處，后面或許也將成為研究的重點(diǎn)，b圖是樣片形貌隨著壓強(qiáng)的變化，常壓下是藍(lán)色的，隨著壓強(qiáng)升高逐漸變?yōu)榉奂t，最終呈現(xiàn)紅色，樣品的顏色還是非常喜慶的。

　　篇幅有限，支撐材料就不帶大家一起看了，感興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)nature官網(wǎng)查看。

　　Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature

　　從文章來看，這項(xiàng)工作無疑是突破性的，相關(guān)證據(jù)也很充足，如果能重復(fù)出來，搞不好未來能發(fā)諾獎(jiǎng)。但物理學(xué)的研究終究不是一家之言，任何科學(xué)研究都應(yīng)該經(jīng)得起驗(yàn)證，這個(gè)也不例外，這項(xiàng)工作勢必要經(jīng)過行業(yè)內(nèi)各個(gè)研究組的重復(fù)，如果經(jīng)過多次重復(fù)之后，確定該結(jié)果的正確性，那將是劃時(shí)代的工作。我們今年諾獎(jiǎng)?lì)A(yù)測也就有底氣了

　　這次的工作號稱是近環(huán)境下的室溫超導(dǎo)，通過上文，大家也能看到，Tc最高處的壓強(qiáng)為1Gpa，大約1萬個(gè)大氣壓，雖然還是很大，但相比于之前的270萬個(gè)大氣壓，已經(jīng)小了很多了，重復(fù)的難度也小了很多，相信已經(jīng)有很多研究組已經(jīng)開始著手重復(fù)實(shí)驗(yàn)了。

　　不過目前很多人對這個(gè)結(jié)果持觀望態(tài)度，一方面是因?yàn)橹貜?fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒出來，另一方面或許是因?yàn)镈ias之前的“前科”。

　　其實(shí)，在這之前，Dias就已經(jīng)有了兩個(gè)突破性的進(jìn)展。一個(gè)是金屬氫，另一個(gè)就是上一個(gè)室溫超導(dǎo)。

　　Dias首先宣稱自己在高壓下合成了金屬氫，相關(guān)文章發(fā)表在science上，但其他研究組沒有重復(fù)出來，而他自己后來宣稱，由于保存不當(dāng)，保存金屬氫的裝置壓力泄露，最終金屬氫因?yàn)閴毫Σ蛔闫Я?。后來，Dias也沒有再合成金屬氫。由此，金屬氫可以說是成為了一樁“懸案”。

　　上次的氫化物室溫超導(dǎo)也是由Dias合成的，其實(shí)現(xiàn)的壓強(qiáng)高達(dá)270GPa，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在nature上，但后續(xù)多個(gè)研究組試圖重復(fù)該實(shí)驗(yàn)未果，并由于Dias未披露原始數(shù)據(jù)，多人認(rèn)為其在磁化率的數(shù)據(jù)處理中使用了錯(cuò)誤的方法，得到了并不能算正確的結(jié)論。因此在大家的一致抗議下，最終該文章被從nature上撤稿，當(dāng)然，Dias研究團(tuán)隊(duì)所有成員都對該撤稿行為表示抗議，不過最終沒有挽回。

　　正是因?yàn)檫@兩起事件，領(lǐng)域內(nèi)許多科學(xué)家對Dias研究團(tuán)隊(duì)其實(shí)持不信任態(tài)度，畢竟他們的數(shù)據(jù)結(jié)果總是比別人漂亮許多。但這次Dias給出很多原始數(shù)據(jù)，可以說全面又豐富，況且這次的成果只需要1GPa的壓強(qiáng)，重復(fù)起來相對簡單，想必我們很快就可以對該成果給出一個(gè)定論了，讓我們拭目以待吧。

　　最近，物理界發(fā)生了一件震驚眾人的大事。

　　聞聽此言，吃瓜群眾連手中的瓜都驚掉了。

　　為什么這件事情引起如此大的關(guān)注呢？這要從超導(dǎo)體的應(yīng)用說起。

　　所以電阻會(huì)消失的對嗎？

　　超導(dǎo)體：是的

　　根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性能，可以將其分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。

　　在導(dǎo)體中，存在大量可以自由移動(dòng)的帶電粒子，他們可以在外電場的作用下自由移動(dòng)，形成電流。

　　導(dǎo)體中自由的電子

　　在絕緣體中，電子則被束縛在原子周圍，不能自由移動(dòng)。

　　半導(dǎo)體則介于二者之間。

　　自由如導(dǎo)體，電子在運(yùn)動(dòng)的過程中也會(huì)受到原子的散射，產(chǎn)生電阻。

　　當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，一些物質(zhì)會(huì)進(jìn)入一種奇妙的狀態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。此時(shí)電阻消失了，電子在其中無阻礙地運(yùn)動(dòng)。這個(gè)溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

　　這個(gè)特性使得超導(dǎo)在應(yīng)用方面大有作為：沒有電阻就不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，因此可以應(yīng)用于大規(guī)模集成電路，建設(shè)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)；能夠承載較大電流而不會(huì)有電流損耗，可以制作高壓輸電線、超導(dǎo)電機(jī)等。

　　超導(dǎo)電機(jī)

　　除此之外，超導(dǎo)體還有兩個(gè)特征：完全抗磁性和約瑟夫森效應(yīng)。

　　普通導(dǎo)體處于磁場中時(shí)，其體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場。而處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)，無論外磁場如何變化，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零。

　　我們熟悉的磁懸浮列車就利用了這個(gè)特性。超導(dǎo)線圈可以承載很大的電流，形成強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體。列車和軌道上分別裝備有超導(dǎo)磁體。當(dāng)存在外磁場時(shí)，由于完全抗磁性，超導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)部的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。由此產(chǎn)生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運(yùn)動(dòng)。

　　超導(dǎo)電力懸浮系統(tǒng)

　　約瑟夫森效應(yīng)是指兩個(gè)超導(dǎo)體間隔很近，中間可以視為絕緣層，當(dāng)距離近至原子尺度時(shí)，超導(dǎo)體中的電子對就可以越過絕緣層，產(chǎn)生超導(dǎo)電流。利用約瑟夫森效應(yīng)可以制作超導(dǎo)量子干涉儀，用于測量非常微小的磁信號。

　　既然處于超導(dǎo)態(tài)的材料有這么多用途，為何沒有廣泛應(yīng)用于生活中呢？

　　因?yàn)橹挥性谔囟囟戎?，材料才?huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。這個(gè)臨界溫度非常低，往往為幾十開爾文（大約零下二百多度?。?，這在日常生活中非常難達(dá)到，阻止了超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用。

　　所以大家應(yīng)該明白，為什么室溫超導(dǎo)能讓那么多人心中振奮了吧！

　　高壓室溫超導(dǎo)

　　是如何實(shí)現(xiàn)的？

　　回到這個(gè)舉世矚目的成果。本次出現(xiàn)高溫超導(dǎo)的材料為碳（C）、氫（H）和硫（S）的化合物，其電阻隨溫度變化的曲線如下圖：

　　R-T曲線

　　由曲線可以分析出，此種化合物仍屬于常規(guī)超導(dǎo)體。

　　超導(dǎo)體分為常規(guī)超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體，其中常規(guī)超導(dǎo)體中電子-聲子相互作用較弱，可以用BCS理論解釋；高溫超導(dǎo)體（主要包括銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體），則不能用BCS理論解釋。

　　BCS理論認(rèn)為，超導(dǎo)態(tài)物質(zhì)之所以有完全導(dǎo)電性，是因?yàn)榈蜏叵?，電子中自旋、?dòng)量都相反的可以兩兩結(jié)合成對，稱為Cooper（庫珀）對。Cooper對在晶格中的運(yùn)動(dòng)是無損耗的。

　　那么，有讀者可能會(huì)提出疑問了。電子和電子之間明明同性相斥，怎么能結(jié)合成對呢？

　　這是由于電子間不是直接相互作用的，而是通過晶格振動(dòng)傳遞相互作用的：帶負(fù)電的電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對附近帶正電的晶格粒子產(chǎn)生吸引作用，而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子，會(huì)異性相吸吸引來其他帶負(fù)電的電子。

　　怎么才能使電子更容易形成Cooper對呢？當(dāng)然是一個(gè)電子吸引來的晶格粒子越多越好啦！而其中最輕的粒子，也就是元素周期表的第一位：氫（H），成為最佳候選人。

　　固體氫的熔點(diǎn)為14K（約-259℃），而且低溫并不超導(dǎo)?？茖W(xué)家們預(yù)測，在高壓下，固體氫會(huì)由絕緣態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài)。由于H原子很輕，因此金屬氫形成Cooper對的溫度，即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也應(yīng)該很高，更可能接近室溫，但所需的高壓也非常高——高到現(xiàn)有的設(shè)備難以滿足。而一些含H的化合物，則可以在目前技術(shù)水平可達(dá)到的高壓下，在室溫形成超導(dǎo)體。如2019年，德國馬普所研究的氫化鑭（LaH10）就可以在170GPa（170萬個(gè)大氣壓）的高壓下，實(shí)現(xiàn)250K（約-23℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。而本次使用的C、H、S化合物則取得了進(jìn)一步突破，在267GPa（267萬個(gè)大氣壓）的高壓下，實(shí)現(xiàn)288K（約15℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。值得一提的是，此前我國科學(xué)家（吉林大學(xué)崔田、馬琰銘團(tuán)隊(duì)）也曾經(jīng)理論預(yù)測過本材料的高溫超導(dǎo)電性。

　　雖然解決了溫度這一難題，但又出現(xiàn)了高壓這個(gè)難題，此次的室溫超導(dǎo)是在267GPa的高壓下達(dá)成的，這是什么概念呢？地球地心處的壓力約為300GPa，267GPa已經(jīng)十分接近地心壓力了。這么高的壓力，全世界也只有很少的實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到。

　　那么，這項(xiàng)研究是不是沒什么實(shí)際意義呢？非也！這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以給我們帶來的啟發(fā)非常非常多：啟發(fā)我們思考常規(guī)超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體的關(guān)系、超導(dǎo)電子配對的機(jī)制、未來尋找新材料的方向、應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的新領(lǐng)域等等。而且，它還給我們描述了一個(gè)美好的未來，一個(gè)超導(dǎo)機(jī)理的謎團(tuán)解開，真理現(xiàn)于世間的未來；一個(gè)常壓室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)、超導(dǎo)技術(shù)大范圍造福于民的未來。畢竟夢想還是要有的，萬一真的實(shí)現(xiàn)了呢？

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責(zé)任編輯：馮體煒