長達百年來，室溫超導(dǎo)體一直是物理學(xué)的核心追求之一，更被賦予緩解人類能源問題的宏大愿景。

近幾年間，高壓下富氫材料的臨界溫度不斷提升，人類離“超導(dǎo)圣杯”似乎也越來越近。終于，北京時間10月14日晚間發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的一項研究跨過了273K（約0℃）這個節(jié)點，一舉實現(xiàn)287K（約15℃）溫度下的含碳硫化氫超導(dǎo)。

這種室溫超導(dǎo)是在金剛石“砧板”制造的267Gpa高壓下實現(xiàn)的，相當于200多萬倍標準大氣壓，很難談得上實際應(yīng)用。

但作為世界頂級學(xué)術(shù)期刊，《自然》從收到這篇論文（8月31日）到接受（9月8日）僅僅用了不到10天時間，可見該成果的里程碑性意義。

實際上，硫化氫H?S這種著名的臭雞蛋味氣體在高壓下會變身高溫超導(dǎo)體，曾被中國科學(xué)家預(yù)言。2014年，吉林大學(xué)的馬琰銘和崔田團隊各自通過理論計算做出預(yù)測：H?S在160GPa下超導(dǎo)臨界溫度為80K；H?S與H?復(fù)合成的H3S結(jié)構(gòu)在200GPa下超導(dǎo)臨界溫度在191K至204K之間。

金剛石頂砧高壓裝置下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)

而這次來自美國羅徹斯特大學(xué)、英特爾公司和內(nèi)華達大學(xué)的聯(lián)合研究團隊實現(xiàn)了歷史性突破，則是運用一種綠色的光化學(xué)合成方式，在硫化氫體系中摻雜了一種自然界最廉價、最普通的元素——碳。

該團隊也在論文結(jié)尾處指出，通過在更低壓力下交換分子，微調(diào)（C-S-H）碳-硫-氫三元體系的組分，未來可能實現(xiàn)大氣壓下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的高溫超導(dǎo)體。

消失的電阻

超導(dǎo)，全稱超導(dǎo)電性，是20世紀最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)體。

1908年，荷蘭科學(xué)家翁內(nèi)斯（Onnes）成功制備液氦，并在液氦溫度下研究物質(zhì)的熱力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。1911年，他發(fā)現(xiàn)汞的電阻在溫度降到4.2K（-269℃）以下時變?yōu)?。

中學(xué)物理告訴我們，電流通過電阻會發(fā)熱。大量的能源就在這一歐姆定律的“魔咒”中浪費了，而奇妙的超導(dǎo)體成為了破咒的法門。

翁內(nèi)斯憑此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。此后，共有9名科學(xué)家在超導(dǎo)研究領(lǐng)域獲得了5次諾獎。

雖然獎項頒得很勤快，但人類提升超導(dǎo)臨界溫度的進展卻很緩慢。要知道，通常情況下，電子在定向運動時會與金屬晶格碰撞，形成電阻。1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的BCS理論，即具有相反自旋和動量的電子對通過與晶格振動聲子的交換作用，互相吸引，形成Cooper對。而這個Cooper對可以在晶格中無阻礙傳輸，就是傳統(tǒng)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機制。臨界溫度的存在，則是因為較高溫度下更強的晶格振動對Cooper對造成破壞。

美國科學(xué)家麥克米蘭基于BCS理論計算，認為超導(dǎo)臨界溫度不太可能超過39K（約-234℃），39K這個溫度也被稱為“麥克米蘭極限”。這個極限溫度一度被主流學(xué)界所接受。

受到極低溫度的限制，目前超導(dǎo)體在MRI、粒子加速器、量子計算等領(lǐng)域的應(yīng)用無法廣泛拓展到電網(wǎng)、磁懸浮等令人期待的方向。室溫超導(dǎo)，成為高高在上的圣杯。

臨界的溫度

中國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域收獲頗豐，趙忠賢院士就曾因在這一領(lǐng)域的突出貢獻榮獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎。趙忠賢是國際上最早認識到銅氧化合物超導(dǎo)體重要意義的少數(shù)科學(xué)家之一。他的團隊從1986年底到1987年初，在十分簡陋的實驗條件下夜以繼日工作，終于和國際上少數(shù)幾個小組幾乎同時在鑭-鋇-銅-氧體系中獲得了40K以上的高溫超導(dǎo)體。1987年2月，趙忠賢團隊終于在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。

2008年，國內(nèi)幾個研究團隊又各自獨立在鐵基高溫超導(dǎo)上實現(xiàn)了突破，堪稱中國鐵基超導(dǎo)“奇跡”。

這一類顛覆了BSC理論和其推論“麥克米蘭極限”的新型超導(dǎo)體，被稱作高溫超導(dǎo)體，其超導(dǎo)原理尚未有定論。

富氫的材料

本以為人類追逐室溫超導(dǎo)圣杯的道路會在新型超導(dǎo)體領(lǐng)域一路前行，但近幾年，一類傳統(tǒng)超導(dǎo)體卻奇峰突起，不斷刷新溫度紀錄。

這類材料的關(guān)鍵詞是氫。1968年，Neil Ashcroft基于BSC理論提出固體氫可能是一種室溫超導(dǎo)體，臨界溫度達到290K。只是，要把氫氣壓成類似金屬的固體，需要媲美地心的驚人壓力，不少物理學(xué)家轉(zhuǎn)而通過富氫材料模擬固體氫，通過摻雜非氫原子來降低金屬化的壓力條件。

2014年，吉林大學(xué)的馬琰銘和崔田團隊基于對BSC理論的計算，各自做出了關(guān)鍵預(yù)測。前者預(yù)言H?S在160GPa下超導(dǎo)臨界溫度為80K；后者則認為H?S與H?復(fù)合成的H3S結(jié)構(gòu)在200 GPa下超導(dǎo)臨界溫度在191K至204K之間。

2015年9月，德國馬普化學(xué)研究所的德羅茲洛夫（A. P. Drozdov）和葉列米特（M. I. Eremets）發(fā)表《自然》論文，在高壓下硫化氫結(jié)構(gòu)中做到了203K（約-70℃）的超導(dǎo)臨界溫度。

2019年5月，德羅茲洛夫和葉列米特實現(xiàn)自我突破，在170Gpa高壓下，用氫化鑭（LaHx）體系取得了最高可達250K（約-23℃）的超導(dǎo)臨界溫度。

對面硫化氫超出預(yù)期的表現(xiàn)，理論物理學(xué)家們展開了討論。氫是最輕的元素，氫鍵又是最強的化學(xué)鍵之一。硫化氫中的氫離子晶格可以在較高的溫度下快速震動，無阻地運送庫珀電子對。不過，氫離子晶格同時需要保持堅固的結(jié)構(gòu)，不會“震散架”。正因如此，高壓條件至關(guān)重要。

有機的超導(dǎo)

那么，除了在硫化氫體系中加入鑭等金屬元素，還有沒有其他非氫原子可以用來進一步實現(xiàn)室溫超導(dǎo)？

這次，羅徹斯特大學(xué)的Ranga P. Dias等人受到美國科學(xué)家Little于1964年提出的一維聚合物有機超導(dǎo)體概念的啟發(fā)，將富氫材料與有機超導(dǎo)這兩條路徑相結(jié)合，想到了用碳來代替金屬元素。

超導(dǎo)實驗室

他們將碳和硫元素以1比1摩爾比率混合，球磨成5微米以下的顆粒，隨后裝載到金剛石頂砧中。氫分子充入其中，扮演反應(yīng)物和傳壓介質(zhì)的雙重角色。整個樣品隨后被施加4Gpa的壓強，并用波長532納米的光照射數(shù)小時。壓力和輻照驅(qū)動S-S鍵的光分解，形成硫的自由基，與氫分子反應(yīng)生成硫化氫。最后，研究人員迅速微調(diào)壓強和激光位，最終制出均勻透明的晶體結(jié)構(gòu)。這種脆弱的晶體不能在10Gpa以下的壓強中保持穩(wěn)定。

通過電阻、磁化率、電輸運和拉曼光譜測量，團隊認為該含碳硫化氫材料在267Gpa下取得了約15℃的超導(dǎo)臨界溫度，創(chuàng)造新的世界紀錄。