本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：董唯元、譚瑩
美國時間 3 月 7 日，在國際物理學界的盛會美國物理學會三月會議上，羅徹斯特大學的 Ranga Dias 教授宣布在近環(huán)境壓強（近 1 萬個大氣壓）下實現(xiàn)了室溫超導。其報告的題目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure。消息一出，迅速刷屏，不僅學界關心，產(chǎn)業(yè)界也殊為關心。如若實驗最終能重復驗證，將是一個極具廣泛影響的爆炸性突破。
撰文 | 董唯元、譚瑩
昨天（3 月 8 日），一則關于超導的消息刷遍全網(wǎng)，就連平日里熱衷養(yǎng)生和美食的微信群都畫風驟變開始熱烈地關注遠在美國拉斯維加斯舉行的一場物理學術會議。在這場 APS（美國物理學會）的年度會議上（編注：欲了解 APS 的這一盛會，可閱讀文后相關閱讀 1），羅切斯特大學的 Ranga Dias 教授又報告了驚人的最新成果：在 1GPa 壓強下實現(xiàn)了零上 21℃（294K）的室溫超導！據(jù)現(xiàn)場傳回的消息和畫面，會場內(nèi)外一度被擠得水泄不通而超過了安防要求，保安急得奮力驅趕人群。
為什么說“又”呢？早在 28 個月前的 2020 年 10 月，這位 Ranga Dias 教授和他的團隊就在《自然》雜志上發(fā)表了在碳氫硫（C-H-S）中發(fā)現(xiàn)室溫超導的成果。當時的成績是，在 267GPa 的壓強下實現(xiàn) 15℃的超導。這一成果在當時就吸引了許多社會關注，我們也曾急吼吼地寫了篇原理性的介紹（詳見《超高壓下首次實現(xiàn)室溫超導》）。
可惜 2020 年那篇論文后來受到許多質(zhì)疑，最終在作者反對的情況下被期刊強行撤稿。而這次的新成果是基于三元氫化物（N-Lu-H）的，具體說是氮摻雜氫化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH），其結論最終是否能得到學術界的認可，需要其他實驗組來重復檢驗。
在論文上線前，一位不便透露姓名的超導科學家 A 對《返樸》表示，直覺該結果“too good to be true. ”他稱，以前就有人用傳統(tǒng)的 BCS 理論預言過，但關鍵是材料很難實現(xiàn)，現(xiàn)在 Ranga Dias 魔術般做出來了。
中國科學院物理研究所研究員孫力玲在接受《返樸》采訪時表示：“值得注意的是，Dias 報告中給出的樣品照片的顏色為藍色，與我們通?？吹降某瑢w具有的黑色和褐色等完全不同。如果其顏色是樣品的本色，說明即使將來其它研究組可以從實驗上證實其超導電性，這種超導體也不應該是我們以前所知道的超導體。”
她說：“人們期待這件事情能夠被其它更多的實驗研究組所驗證。就像在 1987 年的美國 APS 三月會議上銅氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)和超導轉變溫度突破液氮溫區(qū)的報告所掀起的熱潮，使人們在很短的時間里，通過大量的實驗研究對銅氧化物的超導電性有了確定的認識，這使得銅氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)者繆勒和班諾茲當年就獲得了諾貝爾物理學獎?！?/p>
這次之所以十分轟動，是因為如果這次的實驗被認可的話，那無疑將是一個極具商業(yè)價值的成果，其意義比 2020 年的那次烏龍成果還重要得多。兩年半之前的那個成果，即使是真實的，也需要 270 萬個標準大氣壓的壓強，這差不多接近地球中心處的壓強，是現(xiàn)代工藝技術難以企及的條件。而 Ranga Dias 教授如今所宣稱的結論，是在 1 萬個標準大氣壓下實現(xiàn)室溫超導，這就一下子把工藝難度大大降低了。這僅相當于馬里亞納海溝處海水自然壓強的 10 倍，或是地殼與地幔交界處的壓強。
孫力玲說：“新報道的超導體在很低的壓力下（1GPa）就可以獲得，這個壓力在商業(yè)化的實驗設備上（通常 < 3GPa）都可以輕易實現(xiàn)，在實驗技術上并沒有壁壘?！?/p>
在 APS 的報告會上，Ranga Dias 教授本來并未透露太多實驗細節(jié)，但北京時間 3 月 8 日晚間，該工作于 Nature 在線發(fā)布。孫力玲說：“Dias 教授在剛發(fā)表的 Nature 文章中給出了制備方法和大致的化學組分，因而其它研究組應該能夠在短時間內(nèi)就會對其實驗結果的可靠與否加以證實?！?/p>
中國科學院物理研究所研究員羅會仟也告訴《返樸》：“（論文）公布了很多實驗數(shù)據(jù)，還有視頻，而且條件很一般，很容易被重復，很快見分曉?！?/p>
如此友好的實驗條件要求，令人不禁感覺假如能證實為真，分分鐘就可以將其應用于各種工業(yè)乃至生活場景之中（編注：室溫超導到底將帶來什么，請關注《返樸》后續(xù)解讀）。難怪有許多原本不關心物理學的商界人士，都在第一時間認真打聽這個成果的靠譜程度，有些商業(yè)大拿甚至還想惡補一下關于超導方面的理論知識。
在外人看來，物理學是門非常講究原理模型和理論計算的學問。理論物理學家們也經(jīng)常提及“電子反常磁矩”這個老梗，來彰顯物理學的精神所在。這個物理量的理論預測值與實驗測量值在至少 12 位有效數(shù)字上保持一致，是確認精度最高的常數(shù)。
然而超導物理的研究現(xiàn)狀，卻很難體現(xiàn)這種榮光。事實上，與粒子物理相比，超導物理更像是一門玄學。研究者通過紛繁混雜的朦朧線索，幾乎像大海撈針一樣嘗試各種可能的材料。
目前所發(fā)現(xiàn)的各種具有超導電性的物質(zhì)可謂五花八門，其中包括金屬單質(zhì)、含金屬化合物、非金屬單質(zhì)、非金屬化合物…… 許多物質(zhì)在普通條件下就是完全絕緣的陶瓷，只有在極特殊的環(huán)境下才展現(xiàn)出超導特性。當然這也充分地說明，超導現(xiàn)象是一種普遍存在的特性，并不限于特定的元素或材料類型。
然而越是普遍存在的特性，其背后的基本原理往往隱藏得越深。自從 1911 年超導現(xiàn)象被首次發(fā)現(xiàn)之后，理論研究者就試圖對這種神奇的現(xiàn)象做出理論解釋。如今 100 多年過去了，物理學家們也確實提出了許多理論。
可每個理論都只能解釋一部分超導現(xiàn)象，目前還沒有一個統(tǒng)一的理論可以解釋所有的超導特性。我們只知道超導和超流一樣，是量子效應在宏觀世界的展現(xiàn)，但那些限定觸發(fā)機制、方式和條件的底層要素，卻始終難以捕捉。
如果想判斷一個材料的可燃性，只需在計算機上簡單計算一下化學鍵的結合能就直接做出判斷，而不必真的用火柴去點燃它。這正是因為我們理解了“燃燒”這個特性的底層要素。而對超導而言，我們的理解程度還遠未達到這種程度。
其實整個學界也非常期盼超導理論的建立，這從諾獎的發(fā)放情況就可見一斑。幾乎每次超導研究的重要建樹都會得到諾貝爾獎委員會的格外青睞，至今已經(jīng)有 5 次諾獎頒發(fā)給了超導領域，分別是 1913 年（超導現(xiàn)象首次發(fā)現(xiàn)）、1972 年（BCS 理論）、1973 年（約瑟夫森效應）、1987 年（陶瓷材料的超導現(xiàn)象）和 2003 年（超導和超流的新理論）。
其中 1972 年三位獲獎者中的 John Bardeen 是史上唯一獲得過兩次諾獎的物理學家，他在 1956 年因發(fā)明晶體管而獲得諾獎。要知道，就連愛因斯坦都只因解釋光電效應拿過一次諾獎，他的狹義相對論和廣義相對論都沒再幫他拿過第二次。由此可見諾獎委員會是多么認可 BCS 理論的問世。
然而即便像 BCS 理論這樣一個已經(jīng)寫入教科書的理論，其實也只能解釋一小部分已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超導現(xiàn)象。有趣的是，專業(yè)人士口中超導現(xiàn)象被劃分為“常規(guī)超導”和“非常規(guī)超導”兩大類。而所謂非常規(guī)超導，就是指不能用 BCS 理論來解釋的那些超導現(xiàn)象。比如前幾年曾經(jīng)大熱的石墨烯，就是典型的非常規(guī)超導。
前述超導專家 A 教授說，如果此次的發(fā)現(xiàn)最終能被重復出來，驗證為真，其理論解釋還是傳統(tǒng)的 BCS，理論上并沒有太多新的可做，難度在于如何實現(xiàn)材料。當被問及新興的 AI 輔助設計材料是否能堪大任時，他表示難度很大，因為計算機有較大的局限性，好做的都是傳統(tǒng)弱關聯(lián)材料，這類材料的物理機制都清楚，相當于變一下參量，而對強關聯(lián)材料，計算機無能為力。
在超導現(xiàn)象的探索過程中，理論研究者苦苦思索，而實驗研究者靠著直覺、經(jīng)驗、創(chuàng)意、勇氣、耐心和運氣前行。《返樸》將持續(xù)關注此事的后續(xù)進展，并于明日繼續(xù)邀請專業(yè)人士進行解讀，敬請期待！
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。