超导体|首个室温超导体问世，为了发现它，科学家用废了几十颗钻石｜Nature
边策 金磊 发自 凹非寺量子位 报道 | 公众号 QbitAI
一项新纪录 ， 今天轰动整个物理界 。
在15℃温度下 ， 竟然也能观察到超导现象！
这就是来自罗切斯特大学的最新研究 ， 他们设计出了一种新型氢化物 ， 可以在这般「高温」下 ， 无任何电阻地导电 。
科学家发现 ， 这种由氢-硫-碳组成的材料 ， 在巨大的压力（大约是地球核心的75%）下 ， 室温时就能转变成超导体 。
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这也是人类发现的第一种室温超导体 。
今天 ， Nature也以封面的形式对其报道 ， 意义之重 ， 可见一斑 。
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西班牙巴斯克大学凝聚态物质理论家 Ion Errea认为：
这是第一次真正声称发现了室温超导现象 。
剑桥大学的材料科学家Chris Pickard评价道：
这显然是一个里程碑 。
首个室温超导体
来自罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起 ， 然后在超高压下让整个混合物重新组合 。
他们选择了硫化氢（一种臭鸡蛋气味气体）和甲烷（天然气主要成分） ， 将这两种物质与铂电极一起放在金刚石砧中 。
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金刚石砧是两个“尖对尖”金刚石 ， 在二者之间可以产生巨大的压力 ， 可以达到几百万个大气压 。
当压力超过4万个大气压时 ， 研究人员用绿色激光照射数小时 ， 破坏硫-硫键 ， 从而形成硫-氢化合物 。
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在175万个大气压下 ， 样品冷却至-93°C就会发生超导转变 。 如果继续增加压力 ， 超导转变的临界温度会不断提高 。
当到达到267万个大气压时 ， 只需把样品降低至15°C ， 就能看到电阻消失 。
除了电阻为零外 ， 科学家还发现了另一些超导的证据 ， 比如在转变温度下 ， 这种物质屏蔽了磁场 ， 这是超导体一项重要特征 。
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为了寻找这种室温超导化合物 ， 他们用废了几十对金刚石砧 ， 每一对的价格3000美元 。 论文通讯作者Ranga Dias说：“我们研究的最大问题就是金刚石预算 。 ”
金刚石砧产生的超导材料数量极少 ， 大约是单个喷墨颗粒的大小 。 而且这种超导材料不够稳定 ， 只要放置过夜就会分解 。
超高压条件以及不稳定的性质 ， 意味着这种室温超导体难以有实际性质 ， 但这却是人类发现的第一种室温超导体 ， 探索超导体100多年的道路上具有里程碑意义 。
应用广泛的超导体
超导体（superconductor） ， 是指在低于某一温度时 ， 电阻为零的导体 。
超导现象是在100多年前 ， 由荷兰物理学家昂内斯发现 。 他把汞降低到4.2K（约零下269度）时 ， 发现汞的电阻突然消失 ， 因此获得了1913年诺贝尔物理学奖 。
【超导体|首个室温超导体问世，为了发现它，科学家用废了几十颗钻石｜Nature】除了「零电阻」外 ， 它还具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特点 。
完全抗磁性 ， 又称迈斯纳效应 ， 能让超导体内部的磁感应强度为零 ， 及超导体排斥体内的磁场 。 这种特性最大的用途是用来做磁悬浮 。
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磁通量量子化 ， 又叫做约瑟夫森效应 ， 指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时 ， 电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象 。
超导体中的磁通量量子化可以用来制造超导计算机 。
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除了这些高大上的设备 ， 我们的日常生活也离不开超导体 ， 比如医院里的核磁共振成像 ， 还有手机信号基站也需要超导体来制造滤波器 。
然而 ， 超导体的低温限制 ， 成了它的阻碍它应用的最大局限 。
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直到1987年 ， 美籍华裔物理学家朱经武发现了液氮（77K）温区的“高温超导体”钇钡铜氧 ， 才让超导体应用更加广泛 。
但科学家们希望能够找到一种无需冷却 ， 在室温下即可使用的超导体 。
这也正是此次发现能够引起如此反响的原因——是科学家们苦苦探寻了几十年的一种超导体 ， 提高温度意味着不需要复杂的冷却设备 。
要知道 ， 此次的研究要比去年的最新进展足足高出了30多摄氏度 。
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除了高温这个局限性外 ， 还有就是高压 。
超导体只能在极高的压力下存活 ， 相当于接近地球中心的压力 ， 相当于马里亚纳海沟压力的40倍 。
因此 ， 也正如研究作者所说 ， 这意味着它不会有任何直接的实际应用 。
尽管如此 ， 物理学家们仍然希望 ， 这个超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路 。
5年追梦成真
5年前的德国物理学家的发现为找到室温超导体敲开了大门 。
要知道为何氢-硫-碳会成为室温超导体 ， 我们先介绍一下超导的原理 。
在正常状态下 ， 电子以个体形式运动 ， 碰撞到原子就会产生电阻 。
而在超导体中 ， 两个电子会配对形成所谓“库珀对”（Copper pair） 。 一旦电子结伴 ， 它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体 ， 让电阻彻底消失 。
库珀对的形成可以这样通俗理解：
当带正电的原子被电子吸引后 ， 就会聚集起来 ， 这里正电荷多一点 ， 自然会吸引别的电子过来 ， 这两个电子即完成配对 。
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显然原子质量越重 ， 就越难被电子吸引 ， 电子也就越难形成库珀对 ， 因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢 。
但问题是 ， 常压下固态氢中没有自由电子 。 只有高压改变固态氢的结构 ， 让氢释放出电子 ， 才有可能形成库珀对 。 此时氢变成了一种金属状态——金属氢 。
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△ 木星内部可能存在金属氢
1968年 ， 康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测 ， 金属氢在常温下应该是超导体 。
然而 ， 要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了 ， 以现有实验室条件难以达到 ， 倒是木星内部有可能满足这样的条件 。
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△ 科学家用高压制备出金属氢
2017年 ， 哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢 ， 但压力不足以让其变成超导体 。
Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上 ， 这类化合物获取能在稍低的压力下变成超导体 。
但添加多少比例的氢是个技术活 。 如果添加太少 ， 化合物就不会像金属氢那样超导 。 如果添加太多 ， 那么化合物超导所需压力太大 ， 实验室里难以达到 。
终于在2015年 ， 德国科学家Eremets发现 ， 一种氢和硫的化合物在-70℃时转变成超导体 。
2018年 ， 同样是Eremets的团队发现了冰箱温度下的超导体氢化镧 ， 这种物质在-23℃、170万个大气压下变成超导体 。
作者、团队介绍
这项研究的团队 ， 来自罗切斯特大学 。
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△Ranga Dias
Ranga Dias ， 是这次研究的通讯作者 ， 本科就读于科伦坡大学 ， 攻读的是物理和数学专业 。
2007年 ，Dias搬到美国华盛顿 ， 开始了他的博士工作 ， 领域聚焦在极端凝聚态物理领域 ， 专攻简单分子系统中的超导和绝缘体金属过渡 。
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△Nathan Dasenbrock-Gammon
Nathan Dasenbrock-Gammon ， 本科就读于在北肯塔基大学 ， 目前是罗切斯特大学物理学专业的博士一年级学生 。
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△Ray McBride
Ray McBride ， 是罗切斯特大学的一名研究生 ， 正在攻读机械工程硕士学位 。 2018年 ， 我获得了SUNY Geneseo的物理学学士学位 ， 担任过导师和实验室讲师 。
超导体若是能够在日常生活中应用起来 ， 对人们的生活影响肯定是巨大的 。
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当然 ， 这条路是「道阻且长」 ， 虽然已经翻过了一座大山 ， 但还有诸多问题待解决 。
对此 ， 作者也表示了他们研究的下一步：
制造无需高压力、稳定的高温超导体 。
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