室温超导又来了，这次是真的吗？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，原文标题：《不仅升了，还降了！》，头图来自：J. Adam Fenster/University of Rochester

非凡的主张需要有非凡的证据。

—— 卡尔·萨根

在拉斯维加斯举行的美国物理学会3月年会上，罗彻斯特大学的物理学家Ranga Dias在一场演讲中宣布，他和他的团队实现了超导领域的一个百年梦想：他们创造出了一种能在294K（21ºC）的温度和1GPa（近10000标准大气压）的压强下表现出超导性的材料。最新结果已经发表在《自然》杂志上。

相比之前结果，Dias的团队不仅提升了超导温度，还降低了实现超导所需的压力。如果这个结果被证明是正确的，那么将对我们的生活带来革命性的影响，因为室温超导材料可以带来高效的电网和计算机芯片，创造出悬浮列车和核聚变动力所需的超强磁铁，实现更实惠的医疗成像和扫描技术，以及更快、更高效的电子数字逻辑和存储设备技术。

1911年，物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现固体汞具有超导特性。在研究汞的电学效应时，他用液氦将一根汞线冷却到4K（-269℃，比绝对零度高4度）左右，这时他观察到：汞的电阻突降为零，电流在没有任何热损耗的情况下不间断地流动。（图片素材/Nature）

用压力换温度 

一个多世纪以来，科学家们已经知道，将大多数金属冷却到仅比绝对零度高几度的温度时，这些材料会发生戏剧性的变化。当处于这些“临界温度”时，金属中的电子会配对，形成所谓的库珀对。

一旦形成库珀对，电子就不再在原子间来回反弹，而是可以在没有任何能量损失的情况下流动。含有氢的材料特别适合这种配对机制，因为氢是最轻的化学元素，具有最高的振动频率。

如此一来，想办法将更多的氢塞入化学物质中，被视为制造高温超导材料的一种可行途径。然而，用这种思路实现超导的最可靠方法，就是向材料施予极大的压力。

高压可以迫使氢进入金属的晶体结构中，或者形成在较低压力下不稳定的富氢化合物。通过这种方法，可以产生具有非常高的临界温度的化学物质。但当想要接近室温的临界温度时，所需的压力也将非常之高。

掺入氮的氢化镥 

近年来，通过将稀土金属与氢结合，然后掺入氮或碳而形成的氢化物，为研究人员制造超导材料提供了一个管用的“配方”。最重要的是，这些材料可以在更小的压力下，表现出超导特性。

钇是该领域的研究人员常用的一种稀土金属元素。除此之外，他们还尝试使用过其他稀土金属，然而，这些化合物在表现出超导特性时所需的温度和压力，仍不具备用于实际应用潜能。

这一次，Dias团队将目光投向了元素周期表中的镥。镥的电子轨道构型让它可以提供更多能参与形成库珀对的电子，因此可能会使超导更容易。此外，他们还添加了微量的氮。氮和碳一样，具有刚性的原子结构，因此通掺杂氮可以使材料具有更稳定的结构，从而有可能降低所需的压力。

直径约1mm的氢化镥在显微镜下的样貌。（图/University of Rochester photo / J. Adam Fenster）

惊人的颜色变化  

研究团队将一层镥薄膜放置在一种由99%的氢气和1%的氮气组成的混合气体中，通过将压力提升到2GPa，并在473K（200℃）的温度下反应2~3天，产生了具有蓝色光芒的镥-氮-氢化合物。

然后，研究人员用金刚石压砧对产生的化合物进行了压缩。在压缩过程中，他们观察到材料经历了一个惊人的颜色转变。

当压力增加到大约0.3GPa时，材料的颜色从蓝色变成了粉红色，这种转变意味着超导态的开始。当继续将压力提升到3GPa以上时，材料失去了其金属性质，颜色变成了鲜艳的红色。

当金刚石压砧压缩新产生的镥-氮-氢化合物时，蓝色的晶体变成了粉红色，电阻降至为零。（图/RANGA DIAS）

研究人员测量了材料的电阻，观察了电压与通过的电流的关系，还测量了磁化率和比热对温度的依赖性。通过各种测量，他们确定超导态只发生在粉红色阶段，也就是在0.3GPa到3GPa万个大气压的范围内。

在对这个范围进行分析后，研究人员发现，在压强为1GPa时，临界温度最高，这个温度为294K，也就是21°C。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

是错误还是颠覆？  

这样的结果是否意味着，室温超导和应用技术的曙光已经到来？答案或许没有这么简单。

这是一项会引发巨大争议和质疑的研究成果，因为在不久之前，这一团队的另一篇关于碳质硫化氢的高温超导研究就遭到了撤回，撤回原因是磁测量数据存在问题。但这是由于没人能够确认这种磁行为所导致的，因为没有人能制造出那篇论文中所描述的化学物质。

这样的插曲，可能会导致人们本能地倾向于对这项最新研究持不信任的态度。但公平的是，这篇新论文的所有同行评审，可能也都有持有相同的第一反应，所以他们在审议这项新的研究时，可能会更加严苛。

在新的论文中，研究人员用大量篇幅讨论了材料的磁性。另外，为了弄清楚这种材料的组成和结构，研究人员还利用X射线衍射技术，检测了镥形成的晶格，但氢原子和氮原子的位置却无法通过X射线探测到，氢和氮在材料中的浓度也不得而知。这些未知使得从这种材料中获得更多的原理性的信息变得具有挑战性。未来，研究人员将需借用其他方法来了解它们的分布和浓度。

现在，大家更关注的一个问题或许是，这项工作能否被复制。相信很多人可能会去开展这样的尝试，并且可能很快就会有结果。根据新的论文，创造这种材料所需要的硬件似乎并不复杂。而且与过去使用这类材料所需要的极端压力相比，用更简单的设备就能达到所需的压力。

所以，如果这些结果是真实的，我们应该很快就能看到有关结果的报告。

参考来源：

https://www.rochester.edu/newscenter/highest-temperature-superconducting-materials-metals-reddmatter-551382/

https://arstechnica.com/science/2023/03/room-temperature-superconductor-works-at-lower-pressures/

https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

https://www.quantamagazine.org/room-temperature-superconductor-discovery-meets-with-resistance-20230308/

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨

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