23℃超導！德國科學家再次突破高溫超導記錄

　　-23℃ 實現超導 —— 最近，人類高溫超導記錄被刷新！

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

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，超導性是一種奇怪的零電阻現象，是指導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。超導已有了一些重要的實際應用，如用于醫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，制約超導體廣泛應用的一個主要瓶頸是，最佳超導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℃左右出現超導性的材料，也就是室溫超導性材料。如果這種材料一旦被發現，就會帶來一系列的新技術，包括超高速計算機和數據傳輸。

　　室溫超導研究一直是物理領域的熱門話題，同時也是一大難題。

　　目前，超導研究的兩大方向包括發現新的超導材料，以及在原理上闡明超導現象。其中，在提高超導臨界溫度的過程中，我們曾經在 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 位美國科學家于1957 年提出的 BCS 超導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獎。基于這一理論，科學家 McMillan (麥克米蘭) 提出，超導轉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，很多科學家開始嘗試打破麥克米蘭極限，尋求超導溫度超過 40 K 的“高溫超導體”。

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

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

　　當然，新的高溫超導理論仍需謹慎對待。但話雖如此，現今有關高溫超導記錄被打破的消息，還是值得我們更詳細地研究。

　　他兩度創造了室溫超導的新紀錄

　　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作用。

　　這一溫度要比現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超導作用，即 170 吉帕，大約是地心壓力的一半）。

　　埃雷米茨在這一領域有著相當傲人的研究史。早在 2014 年，他就打破了高溫超導性的記錄。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 月把這一成果發表在 Nature 雜志上，研究人員發現，當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電性的經典標志：零電阻和邁斯納效應。

　　這在超導研究領域激起了一波浪潮。美國華盛頓哥倫比亞特區海軍研究實驗室 Igor Mazin 更是將這項關于硫化氫的發現描述為“超導體的圣杯”。

　　但對物理學家來說，真正令人瞠目結舌的是超導材料的性質。

　　用傳統超導體來解釋超導性很好理解在，傳統超導體中，超導這一特性很好理解：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，就會產生電阻。而當晶格冷卻到一定程度時，就會產生超導現象，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”，形成超導電流。

　　事實上，在低溫狀態下，電子彼此結合形成所謂的庫珀對。正是這些庫珀對在晶格中的“沖浪”，形成構成了超導特性。

　　隨著溫度上升，庫珀對斷裂，超導現象性停止。這種變化發生的溫度被稱之為在所謂的“臨界溫度”。

　　在 2014 年之前，這種傳統的超導現象性的臨界溫度最高是大約 40k 或 -230 ℃。事實上，當時很多物理學家認為，在更高的溫度下，這種超導性是不可能存在的。

　　這就是為什么埃雷米茨的發現如此特別，因為硫化氫是一種傳統超導體，許多人認為在更高溫度下發揮其超導性是不可能的。

　　埃雷米茨引發了一場狂熱的理論討論，來解釋超導現象是如何發生的。最終達成的共識就是，在硫化氫中，當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。這就是超導性只在高壓下起作用的原因。

　　從那時起，已經有相當多的理論和計算工作來預測其他材料能否在高溫下以同樣的方式產生超導性。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，高壓下室溫超導可期

　　這一發現不僅是埃雷米茨和其團隊的勝利，也是預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，在高壓下實現室溫超導 (即 273 k) 具有真正可能性。”

　　然而，還有一些工作需要完成。業內的物理學家需要三個獨立的證據才能確信超導確實發生了。首先是溫度下降時電阻的特性下降。埃雷米茨已經證明了這一點。

　　第二個證據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，并相應地改變臨界溫度。埃雷米茨和他的同事也有這方面的證據，他們用氘取代了樣品中的氫，發現臨界溫度正如預期的那樣，降到了 168k。

　　第三條證據被稱為邁斯納效應：超導體應該排除任何磁場。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，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——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 (盡管所需壓強只有在地心處比較常見)。

　　因此，出現一種或其他種類的室溫超導體可能并不遙遠。到了那個時候，我們的問題將是如何最好地利用它們。