這個室溫超導研究，要么是驚天烏龍，要么將改變世界 世界快消息

在美國物理學會（APS）3月年會上，羅切斯特大學的拉甘?迪亞斯（Ragan P. Dias）團隊扔下一枚“重磅炸彈”，宣稱在1GPa（約等于1萬個大氣壓）的壓強下，镥-氮-氫體系材料中實現(xiàn)了室溫超導。

相關論文今天（3月9日）凌晨正式發(fā)表在《自然》雜志上。

此消息一出，瞬間成為了科研圈和媒體圈的熱門話題。不過，看到這里的你，可能會有很多問題：超導是什么？室溫超導又是什么？為什么這么多人都在關注這項研究成果？

(資料圖片僅供參考)

太長不看版

超導是材料在一定溫度下電阻變?yōu)?的物理現(xiàn)象；

超導體的應用有望為科技帶來巨大變革，但苦于超導轉變溫度過低，應用受限；

室溫條件下的超導體是超導研究人員的終極夢想；

但研究作者此前有類似論文曾被撤稿，對于此次公布的室溫超導結果需保持謹慎，還需進一步實驗驗證。

超導是什么？

物理上，超導（superconductivity）是材料在低于一定溫度時電阻變?yōu)?的現(xiàn)象，轉變后的材料稱為超導體（superconductor）。

中學課本里提到過，在一個電路中，導線里的電荷在電壓驅動下會像跑步運動員一樣運動，從而形成電流，但經過導體的電阻會阻礙它們的運動。

如果電路由超導體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。在一個超導鉛制成的環(huán)路中，可以連續(xù)幾個月都觀測不到電流有減弱的跡象。

超導現(xiàn)象由昂內斯在1911年發(fā)現(xiàn) | 諾貝爾獎官網

超導現(xiàn)象最早由荷蘭物理學家?？恕た┝帧ぐ簝人梗℉eike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)。

1911年，他用液氦將水銀的溫度降低到4.2K（約為-269℃）附近時，驚奇地發(fā)現(xiàn)水銀的電阻突然消失了。后續(xù)人們發(fā)現(xiàn)鉛、鈮等元素也有類似的電阻突變?yōu)?的性質。

昂內斯因液氦的制備和超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。

這里的K念作開爾文，和攝氏度一樣，也是溫度的一種計量單位。數(shù)值上，它只需要減去273.15就是攝氏溫度。比如說，4.2K就是-268.95℃。絕對零度指的是0 K，相當于-273.15℃。

除了電阻為0以外，超導體還有另一個奇特的性質，稱為完全抗磁性。

1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Mei?ner）和羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)，材料轉變成超導體后，就好像武僧穿上了金鐘罩，體內的磁場會全部排斥在外。

這個現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應。

根據(jù)超導體的完全抗磁性，可以做個有趣的實驗：在超導體的正下方放置一個磁體，磁體在周圍產生磁場，而超導體的內部不允許磁場存在，從而產生相反磁場，與磁體互相排斥。

如果排斥力和超導體的重力相平衡，就能讓超導體懸浮在半空中，仿佛科幻小說中的場景。

電影《阿凡達》里的哈里路亞山，按照設定，便是超導礦物在磁場中懸浮的結果 | 《阿凡達》劇照

后來物理學家總結，要看一個材料是不是超導體，就看它是否同時具有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的特征，兩者缺一不可。

因為自身特殊的性質，超導體引發(fā)了人們對它未來應用的無限遐想。比如：

零電阻的電路幾乎沒有熱損耗，使用超導體材料進行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費，提高能源利用效率；

超導線運用于發(fā)電機、電動機能大幅提高電流強度和輸出功率；

超導體制作超大規(guī)模集成電路的連線，能解決散熱問題，提高運算速度；

超導體的現(xiàn)實應用，有可能為科學技術帶來巨大而深刻的變革。

超導體進行長距離大容量輸電，能極大少減少能量浪費 | instituteforenergyresearch.org

可惜，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。直到目前為止，超導體的實際應用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導量子干涉儀等特定情境中。在電力工程方面，尤其是被寄予厚望的超導線長距離輸電，大范圍應用仍然遙遙無期。

是什么限制了超導體的大范圍應用？根本原因只有一個：溫度。

尋找高溫超導體

材料轉變?yōu)槌瑢w的溫度被稱為超導臨界溫度（Tc），低于這個Tc，超導體才能保持自身的超導性質。

然而，絕大多數(shù)材料的Tc都非常低，基本都在50K（也就是大約-220℃）以下，需要借助液氮或液氦等維持低溫環(huán)境。

想象一下，辛辛苦苦建造一條幾百公里的超導輸電線，還需要全程浸泡在液氮中冷卻，成本得多么夸張！

所以為了讓超導體得到更廣泛的應用，必須要找到Tc更高、最好是室溫條件下（大約300K左右）也能保持超導性質的材料。

從發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象開始，物理學家對高Tc超導體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。

在最開始的70多年內，Tc的上限連突破30K都很困難，甚至有理論提出超導體的Tc不可能超過40K，給大家潑了好大一盆冷水。

柏諾茲（右）和繆勒（左）因為高溫超導體的發(fā)現(xiàn)而獲得1987年諾貝爾物理學獎 | Keystone / Str

直到1989年，IBM公司的工程師約翰內斯·貝德諾爾茨（Johannes Bednorz）和卡爾·繆勒（Karl Müller）在鑭-鋇-銅-氧體系中提出可能存在35K的超導電性，其他研究團隊在后續(xù)實驗中發(fā)現(xiàn)，這種銅氧體系的Tc竟然最高能達到138K（HBCCO），一下子把記錄提高了超過100K！

物理學家將這類銅氧化物超導體稱為高溫超導體，柏諾茲和繆勒也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。

雖然名為高溫超導體，但也只是相對于先前40K的低溫而言的，銅氧化物的Tc和物理學家的最終目標還有一定距離。

高壓物理學家埃雷米茨刷新了超導臨界溫度的最高記錄 | MPIC, Carsten Costard

又一項重要突破發(fā)生在2015年，德國物理學家米哈伊爾·埃雷米茨（Mikhail Eremets）發(fā)現(xiàn)硫化氫在150萬個大氣壓的極高壓力下，Tc能達到203K，刷新了超導臨界溫度的最高記錄。

雖然這種在超高壓下的超導體缺乏實際應用場景，但仍然是令人激動的溫度突破。

說到這里，這次扔下室溫超導“重磅炸彈”的拉甘?迪亞斯就要登場了。

充滿疑點的室溫超導

2020年，迪亞斯在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關于室溫超導的論文，引發(fā)巨大轟動。

迪亞斯的實驗方式主要是對碳、硫、氫氣混合形成的材料用激光照射和金剛石擠壓，發(fā)現(xiàn)材料在極高壓下能達到287.7K的臨界溫度。這是首次有實驗結果表明Tc達到室溫，瞬間在全世界的科研圈和媒體圈中引發(fā)了轟動。一時間，似乎室溫超導這一終極夢想距離現(xiàn)實已近在咫尺。

這樣的實驗需要使用激光照射和金剛石擠壓，以達到極高的壓強 | J. Adam Fenster / University of Rochester

然而，眾人的熱情很快被質疑聲澆滅。迪亞斯的這篇論文發(fā)表后，眾多學術界大牛對他的實驗數(shù)據(jù)表示懷疑，比如說像磁化率的原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理缺乏依據(jù)，之前做出硫化氫超導的埃雷米茨嘗試了6次也沒能復現(xiàn)出迪亞斯的實驗結果。

兩年后的2022年，盡管迪亞斯團隊堅持認為實驗結果不存在問題，那篇論文仍然在質疑聲中被《自然》雜志撤稿。

投下室溫超導“重磅炸彈”的拉甘?迪亞斯 | 羅切斯特大學

就在人們以為迪亞斯的“室溫超導”要以一場鬧劇收場時，沒想到他在昨天（3月8日）的美國物理學會會議上又扔下了一枚“重磅炸彈”。這次他聲稱，發(fā)現(xiàn)镥-氮-氫體系的材料在1GPa的壓強下同樣實現(xiàn)了約21℃的超導。

相比那篇被撤稿的論文，這次實驗結果的壓強條件直接從267GPa大幅降低到了1GPa。雖然1GPa仍然是現(xiàn)實情境中難以實現(xiàn)的壓強，但如果實驗結果得到證實，那也是為室溫超導的實現(xiàn)邁出了一大步。

與2020年一樣，這次迪亞斯的論文同樣被《自然》雜志接收并發(fā)表，也已經有學者再次對實驗數(shù)據(jù)提出了質疑。

迪亞斯的最新實驗結果究竟是超導物理研究的重要里程碑，還是又一場學術界的鬧劇，還有待科學家進一步研究和討論。

作為看熱鬧不怕事大的旁觀者，對此恐怕還是保持觀望態(tài)度為好。

關于這次超導領域的最新研究進展，我們也聯(lián)系了幾位相關領域的學者，他們與我們分享了大家關心的幾個常見問題。

問：相比上一次該團隊發(fā)布后被撤稿的研究而言，這次室溫超導的研究有什么新的亮點？

劉寒雨教授，吉林大學物理學院，研究方向：極端條件下的材料、高壓下的氫和氦化合物、新型超導材料的計算設計

上次撤稿的nature文章里報道的是在極端高壓強下（大于100萬大氣壓強）的室溫超導電性，而本次工作中報道的是1萬大氣壓強下的室溫超導電性。壓強很低，可以做更多表征證明它的超導電性。

學者A，專業(yè)領域：凝聚態(tài)物理、材料領域

上一個C-S-H的工作是在百萬大氣壓以上的壓力下合成并測量的，金剛石臺面及樣品只有微米級，相關的測量非常有難度，也容易引入各種不確定的實驗失誤。

這次Lu-N-H的工作是在近常壓下完成了，金剛石臺面及樣品可達到幾十甚至百微米以上，相關的物理量測試的精度會更高，準確性會更強。

這個工作（如果后續(xù)證實是對的），解決了富氫化合物（近）室溫超導所需要的極為苛刻的超高壓條件（百萬大氣壓以上），極大的推動了這一體系真正在常壓下實現(xiàn)實用化的進程。

學者B，專業(yè)領域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質結構與性質的研究

首先壓力更低了，僅有1萬大氣壓，遠遠低于上次室溫超導所需的267萬大氣壓，這樣的實驗條件，廣大的實驗同行很快就可以跟進，使得這一次的實驗驗證遠比上一次容易。其次文章中給出的主觀數(shù)據(jù)非常充分，包括電阻，磁化率測量，熱容測量，XRD測量還結合了理論計算。綜上所述，如果數(shù)據(jù)可靠的話，將是一個重大突破。

問：從目前的論文來看，這個研究靠譜嗎？

劉寒雨教授

目前而言，文章的圖和數(shù)據(jù)看起來，超導電性比較清晰。但是仍需第三方獨立證實。對媒體上廣泛報道的所謂發(fā)現(xiàn)室溫超導體的表述，現(xiàn)在還需要謹慎樂觀。

學者A，專業(yè)領域：凝聚態(tài)物理、材料領域

目前，文章展示了超導行為表征所需的零電阻數(shù)據(jù)以及抗磁數(shù)據(jù)，同時對于比熱及結構都進行了相應的表征，作者基本上做了高壓下能夠進行的除了紅外光譜外的大多數(shù)關于超導測量的實驗表征，數(shù)據(jù)質量很高，讓人很難駁斥。但文章中依然有一些難以理解的點，比如：

1） 作者利用金屬Lu與氫氣及氮氣的混合物在65°C左右合成樣品。以我們團隊合成氮化物及氫化物的經驗來說，氮-氮三鍵打開并參與化學反應是非常困難的，通常需要極高的溫度（如2500-3000K以上）并利用激光加熱實現(xiàn)。65°C就能夠將氮摻入到晶格中我們是很難理解的。

2） 以往合成的富氫超導材料通常為黑色，如果表面比較光滑，利用反射光顯微鏡成像能看到金屬光澤，但是作者報道的Lu-N-H體系在較低的壓強范圍下顏色變化非常大，與以往無機物的經驗不是非常符合。

因此，盡管該工作已經提供了較為完善的實驗證據(jù)，還需要其余的研究團隊證實。

學者B，專業(yè)領域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質結構與性質的研究

文章中給出的數(shù)據(jù)從主觀上看非常充分，但是磁學噪音比較小，樣品過于均勻，顏色隨壓力變化極其敏感，整體上來看不同以往的氫化物，所以還是需要更多課題組去實驗驗證。

問：如果這個新發(fā)現(xiàn)靠譜，離實際應用還有多遠？在應用上有什么關鍵性的問題需要解決？

劉寒雨教授

如果靠譜的話，由于其壓強已經到了1萬大氣壓強了，已經相當?shù)土?，對于科學研究還是很重要的。但是對于實際應用，比如超導電纜等，仍需要在常壓下獲得室溫超導材料。

實際我們也對這三個元素的組合材料做了大量的預測，但仍未發(fā)現(xiàn)與實驗一致的結果。從理論上講，氫化物超導的機制是需要氫比例非常高的，而高氫比例需要高的壓強，但是這個實驗工作的壓強較低，所以從理論上講，很難預測出高氫比例的氫化物。綜上所述，我對于預測出這三個元素的高超導結構不樂觀。

學者A，專業(yè)領域：凝聚態(tài)物理、材料領域

如果這個研究是正確的，那么室溫超導的應用將不是夢想。但是其室溫超導的壓力依然需要1萬大氣壓左右，雖然與以往氫化物的百萬大氣壓的穩(wěn)定壓力相比已經有了質的飛躍，但是依然離常壓環(huán)境有較大差距，還需要科學家進一步的研究將壓力降至常壓環(huán)境。另外，如果未來的產品依然需要幾千大氣壓的氫氣合成，那么也是不可取的。在幾千大氣壓條件下，氫氣的爆點極低，些許擾動如撞擊或火花即可引爆腔體造成事故。另外，氫氣分子也非常的小，且具有氫脆效應，它能夠腐蝕一般的金屬，因此在存儲和運輸上的也具有非常大的挑戰(zhàn)。另外，這種富氫材料通常為粉體，能否制成具有應用價值的薄膜、線材或者體材料依然需要人們去做進一步的探索。

學者B，專業(yè)領域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質結構與性質的研究

如果這個新發(fā)現(xiàn)靠譜，需要從金剛石對頂砧實驗轉戰(zhàn)到大壓機實驗，這個過程可能需要好幾年時間，再到實際應用還需要更多時間，但是目前的工作重心還是這個實驗的可重復性。

參考文獻

[1]Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250 (2023).

[2]Blundell S J. Superconductivity: a very short introduction[M]. OUP Oxford, 2009.

[3]羅會仟.鐵基超導的前世今生[J].物理,2014,43(07):430-438.

[4]https://phys.org/news/2023-03-viable-superconducting-material-temperature-pressure.html

[5]Tinkham M. Introduction to superconductivity[M]. Courier Corporation, 2004.

[6]Ray P J. Structural Investigation of La (2-x) Sr (x) CuO (4+ y): Following a Staging as a Function of Temperature[M]. Niels Bohr Institute, Copenhagen University, 2015.

作者：中子星

編輯：Steed、Owl

鳴謝：中國科學院物理研究所 羅會仟研究員

封面圖來源：J. Adam Fenster / University of Rochester

一個AI

物理學這是又要不存在了嗎？

關鍵詞：