常温超导的新突破

美国罗切斯特大学的科学家兰加·迪亚斯

人类认识超导现象的存在已经有一百多年的时间。而最近几位科学家在超导研究领域取得的一个大突破，迅速吸引了全世界的关注。2020年10月14日，美国罗切斯特大学的科学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）与合作者在《自然》（Nature）杂志发表论文《碳－硫－氢化合物的室温超导性》（Room-temperature Superconductivity in a Carbonaceous Sulfur Hydride），报告了一个堪称里程碑式的突破：由碳、氢、硫三种元素组成的化合物在大约15摄氏度的真正“室温”条件下实现了超导——条件则是超高的压力。

导体中的电流通常需要电子进行传导。电子在导体中运行时，会受到原子的阻碍，在宏观上就表现为电阻。所谓“超导现象”，指的是电子在低温状态下行为发生了改变，结成所谓的库珀对（Cooper Pair），可以不受阻碍地通过导体。在这种状态下，超导体中的电阻完全消失，电流可以自由流动而没有任何损耗，而且超导体自身也会体现出一些罕见的电磁特性。

问题在于这种现象会随着温度的升高而消失。在上百年的研究过程中，人们不断地发现可以在越来越高的温度下具有超导性质的新材料，但也有很多人认为，永远都不可能发现可以在室温条件下进行超导的材料。

人类发现和研究超导现象与低温技术的发展密切相关。1908年，荷兰科学家海克·卡莫林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次在极低的温度下将氦气液化。到了1911年，昂内斯发现，当他通过液氦把汞的温度降低到只高于绝对零度4.5开氏度（4.5K）的时候，汞的电阻降为零，他把这种性质称为超导性。之后人类陆续发现了很多其他的超导材料，但是它们都需要在极低的温度下才具有这种性质。

寻找具有常温超导性能的材料，需要理论上的指导。1968年，英国固态物理学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）提出，在极高的压力下，由氢原子组成的材料有可能实现常温超导。问题在于人类需要施加超高的压力，才可能使氢原子结合为具有金属性能的晶体材料。科学家们从此开始寻找合适的氢化合物作为可能的常温超导材料。除了进行实验之外，随后人们也利用超级计算机的模拟实验进行研究。

德国马克斯·普朗克研究所科学家米哈伊尔·埃雷米茨

寻找高温超导材料的一个重要转折点发生在2015年。德国马克斯·普朗克研究所的科学家米哈伊尔·埃雷米茨（Mikhail Eremets）领导的研究团队发现，通过氢和硫组成的化合物可以在极高的压力条件下打破此前的纪录，实现高温超导。到了2018年，他们又创下新纪录，发现氢化镧材料可以在零下13摄氏度实现超导。

在埃雷米茨的研究基础之上，迪亚斯领导的研究团队发现包括氢元素在内，由三种元素组成的化合物的超导性能可能会更加优秀。他们利用碳、氢、硫三种元素组成的化合物进行超导实验，终于创下了新纪录。为了实现真正的室温超导，研究者们在两个钻石电极之间，给这种化合物施加了极大的压力，相当于地球标准大气压的260万倍——这相当于地球地心压力的75%。正是因为做实验的压力过高，非常容易损坏钻石电极。在实验过程中很多组价值3000美元的钻石电极被毁，这也成为了实验过程中最大的花销。

科学家已经证明硫化氢在高压条件下可以实现高温超导。在这个基础之上，迪亚斯与合作者决定进一步加入碳元素。在实验过程中，实验者在低温条件下向硫化氢中以1∶1的比例加入碳元素（他们加入甲烷，然后通过激光进行长时间的照射使化合物原来的分子键断裂，进而结合成新的分子键，形成新的化合物）。

随后实验者逐渐增大压力并且升高温度，发现晶体的超导性能一直维持。这种超导晶体在超高气压下也被压缩得极小——直径只有30微米。最终在260万个标准大气压条件下实现了15摄氏度左右的室温超导，终于打破了超导材料的温度纪录，实现了一个有些人认为永远都无法实现的目标。虽然取得了重大突破，但是这个成果显然还没法立即被应用到日常生活中，人们还需要找到一种可以在常温、常压下进行超导的材料。

尽管创造了新纪录，但是研究者目前还不知道碳、氢、硫这三种元素的原子在化合物中是如何排列的。因为氢原子太小，极难被直接探测到，而且极高的压力可能改变它们的排列状态。科学家还不知道这种化合物确切的分子式。在进一步研究了解了这种超导晶体的分子式之后，科学家会研究和改进超导材料的配方。目前看来，碳元素的加入，由碳和氢以及另外一种材料三种元素组成的化合物可能具有更优越的超导性能。氢元素很轻，而碳元素又具有很强的共价键以维持化合物的稳定存在，这些性质都有助于让材料实现常温超导。

常温超导技术有着非常广阔的应用前景——如果能够把压力降低到目前实验所需压力的一半，那么人类就有可能对这种常温超导材料进行量产，制造出价格相对低廉又极其灵敏的磁感应器件。如果能够发现可以在普通气压环境中进行常温超导的材料，那么可以想象，人类的生活必将发生革命性的改变——全新高效的电网，快速的磁悬浮列车，都将成为现实。

这次在常温超导研究中取得的突破只是一个起点。可以想象，人们会研究这种材料的组成和性质，并且以此为基础，进一步研究其他可能的新材料。由其他元素，甚至更多元素组成的常温超导材料将会不断地涌现出来。这也让人思考，高温超导究竟有没有上限？

（本文写作参考了《自然》杂志的报道） 科学科普物理超导超导体