提問，2023 年 3 月 8 日
是什么日子？
答：婦女節(jié)
然后呢？
然后……
然后這一天還是美國物理學會的三月會議中的一天，可不要小看這一天，看似平平無奇的一天，卻爆出來可能會改變世界，改變?nèi)祟惖奈锢韺W進展。
羅徹斯特大學的 Dias 團隊宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導體，該超導體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元相，該研究團隊認為，其在大約 10kbar（也就是 1GPa，約相當于 1 萬個大氣壓）下可以實現(xiàn)約 294K（也就是約 21℃）的室溫超導電性。
這時，就有人要問了，超導是個啥，發(fā)現(xiàn)個室溫超導為啥這么激動？
01、超導及其應用價值
超導態(tài)是材料的一種特殊狀態(tài)，在超導態(tài)中，材料處于零電阻的狀態(tài)中，初中二年級的物理告訴我們，電阻是材料普遍具有的性質(zhì)，當電流流經(jīng)材料時，其內(nèi)部的晶格、雜質(zhì)等會對載流子運動產(chǎn)生阻礙，載流子本身攜帶的能量會被轉(zhuǎn)移到晶格上，宏觀上造成焦耳熱，電勢也會相應下降。
而沒有電阻的超導體就完全沒有上述問題，電流流經(jīng)超導體，既不會發(fā)熱，也不會出現(xiàn)壓降，因此電流可以無衰減地在超導體中流動。
很明顯，超導體的意義是顯而易見的，如果我們的電線都采用超導體，那就不會存在能量衰減。我們現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術，其實就是提高輸電線的電壓，來盡可能降低能量損耗，可如果使用了超導電線，將完全不存在這個問題，將徹底改寫整個行業(yè)，我們可以直接以市電電壓傳輸電力，完全不需要變電站，我們或許可以直接使用直流電。
但是，由于超導 Tc（超導轉(zhuǎn)變溫度，指超導體由正常態(tài)進入超導態(tài)的溫度）的限制，這一設想完全無法實現(xiàn)，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的絕大部分超導體 Tc 都在 77K（-196℃）以下，這是液氮的沸點，Tc 在這之下的超導體大部分時候是使用更加昂貴的液氦制冷來使其進入超導態(tài)，只有少部分銅基超導體 Tc 達到了 77K 之上，可以使用液氮制冷來使其進入超導態(tài)。
即便如此，超導體在我們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)有了應用，醫(yī)院的核磁共振便采用了超導體，這就涉及了超導體的另一重大應用方向，即產(chǎn)生大磁場。
當我們需要一個很大的磁場時，我們首先想到的是什么？磁鐵？不不不，永磁體的磁場遠遠達不到我們的要求，再回想一下初中二年級的物理知識，沒錯，通電螺線管！！利用電流，我們也可以得到磁場，更令人振奮的是，磁感應強度與電流強度成正比，也就是說，電流越大，磁場越強。
但大電流就會遇到上文提到的兩個問題，焦耳熱與壓降，大電流會產(chǎn)熱，更令人絕望的是焦耳熱與電流的平方成正比，因此，電流每增加一分，磁場就會相應增強一分，但產(chǎn)熱會按平方增加，最終絕大多數(shù)能量都將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
焦耳熱的來源是電阻，只要沒有電阻，就可以完全不考慮焦耳熱的影響，因此超導體在這里的意義就顯而易見了，我們?nèi)绻贸瑢w線材制作線圈，就可以幾乎無節(jié)制（磁場也可以抑制超導態(tài)，這里需要注意產(chǎn)生的磁場不能超過超導體的臨界磁場）地提升線圈內(nèi)的電流強度，進而獲得強大的磁場。這就是核磁共振中強大磁性的來源。
除了以上場景，利用兩個不同超導體做成的約瑟夫森結(jié)也有重要應用價值，我們可以利用它制作 SQUID，這個裝置是目前最精確的磁場探測裝置，在超導量子計算機中也有重要應用。
看到這里，你應該對室溫超導的意義有一定認知了，如果我們真的可以發(fā)現(xiàn)常壓下的室溫超導，那將使整個人類社會產(chǎn)生重大改變，我們現(xiàn)有的科技可能面臨顛覆，能源問題得到重大緩解，對整個人類都具有重大進步意義。
我們還是簡單介紹一下超導體的發(fā)現(xiàn)歷程及其輸運性質(zhì)，這有利于我們理解 Dias 的工作。
02、超導的發(fā)現(xiàn)及其機理
1911 年，昂內(nèi)斯改進了制冷設備，率先將溫度降至液氦沸點之下，在此期間，他發(fā)現(xiàn)汞的電阻在 4.2K 時突然降為零，經(jīng)過再三確認，他最終確定，這不是實驗上的失誤或誤差，這是汞本征的性質(zhì)，由此，他打開了超導的大門，汞也是我們發(fā)現(xiàn)的第一個超導體，Tc 為 4.2K。
昂內(nèi)斯僅僅測量的汞的電阻，這揭示了超導體在電輸運上的特征，也就是零電阻。
后來，1933 年，邁斯納在對進入超導態(tài)的錫或鉛金屬球做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，當材料進入超導態(tài)后，其內(nèi)部的磁場會迅速被排出體外，磁場只在超導體外部存在，超導體展現(xiàn)出完全抗磁性，這就是邁斯納效應。
后來的研究發(fā)現(xiàn)，超導體可以進一步劃分為第一類超導體和第二類超導體，第一類超導體展現(xiàn)出完全的抗磁效應，內(nèi)部完全沒有磁場。而第二類超導體則允許磁場在超導體內(nèi)部產(chǎn)生磁通量子，也就是允許磁場部分地進入超導體。
以上對超導體的研究更多地還停留在對其性質(zhì)探究，我們實際上也一直在尋找超導的內(nèi)在機理，探索其本質(zhì)。
最開始的嘗試是倫敦方程，不過這個理論無法揭示穿透深度與外磁場的關系。1950 年左右，前蘇聯(lián)科學家金茲堡和朗道提出了解釋超導的唯象理論 —— 金茲堡-朗道理論（G-L 理論）。該理論建立在朗道二級相變理論的基礎上，用序參量描述超導體。該理論成功解釋了超導體，上文提到的第一類超導體與第二類超導體就是根據(jù) G-L 方程求解的界面能的正負判定的。
根據(jù) G-L 理論，超導體從正常態(tài)到超導態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個二級相變，因此，理論上我們可以在比熱的測量中發(fā)現(xiàn)其在 Tc 處有一個躍變，或者叫一個峰。后來這也在實驗上被證實。
看到這里，你應該也發(fā)現(xiàn)了，超導的文章特別好寫，測一下電阻，測一下磁化率，如果可以的話，再測一下比熱，比熱即便測不了也不是什么大事，搞完這些就齊活了。
最后還要簡單提一下，我們目前解釋超導的最好的理論就是 BCS 理論，這個理論的核心就是電子在與晶格的耦合中會出現(xiàn)電子吸引電子的可能，這樣兩個電子會結(jié)成庫珀對，結(jié)成庫珀對的電子可以看作玻色子，在低溫下，發(fā)生“凝聚”，能量可以無耗散地在凝聚的庫珀對中流動，實現(xiàn)超導態(tài)。
但 BCS 理論也不能解釋所有超導態(tài)，我們根據(jù) BCS 理論計算得到麥克米蘭極限，即符合 BCS 理論的超導體 Tc 不會超過 40K，但實際上很多超導體都突破了這一極限，比如銅基超導和鐵基超導，這樣的超導體被稱為高溫超導體，也就是說相對于之前 20 K 以下的超導體，Tc 高了很多。
本來還想介紹一下實驗中高壓的獲取，篇幅所限，有機會再聊。之前有一篇文章也講解了實驗室中的高壓技術，感興趣的可以點擊這里看一下。
03、新的室溫超導
有了上面這些預備知識，我們就可以一起來看一下這篇已經(jīng)被發(fā)表在 nature 上的文章了。
同大部分超導的文章一樣，Dias 研究團隊對樣品電輸運、磁化率及比熱進行了測量。
首先是電阻的測量結(jié)果，左圖中給出了 10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測量結(jié)果，三個電壓下電阻都降低到了 0，這正是超導體的主要特征之一，需要注意的是，這里 1GPa 時 Tc 是最高的，壓強越低，Tc 越高，是一個令人意外的結(jié)果。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導態(tài)與正常態(tài)的 V-I 曲線。
這張圖是對磁化率的測量，a 圖是 60Oe（Oe 是高斯單位制中表示磁場強弱的單位，可以理解為高斯，即 1T=10000Oe）下 8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖，可以明顯看到其 Tc 為 277K（4℃），b 圖給出磁矩與外磁場的關系，也符合超導體的特征，c 圖則是不同壓力下的 M-T 曲線，這里的 Tc 與電阻上的保持一致，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小，是非常好的轉(zhuǎn)變。不過在 a 圖中也可以看出來研究團隊對原始數(shù)據(jù)做了一定處理。
這里多提一句，磁化率的測量會明顯受樣品形狀、背底等因素的測量，理論上超導體應該表現(xiàn)出完全抗磁性（即 4πχ=-1），但實際測量中測不到完全抗磁性（即 4πχ＞-1）也是可以理解的。當然 Dias 的文章中并沒有約化，a 圖中縱軸是磁矩，并非磁化率。
Dias 還對比熱進行了測量，結(jié)果如上圖所示，這里給出了 10、10.5、20kbar 的測量結(jié)果，可以看到，三個比熱的曲線均能看到超導在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc 與電阻的測量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解，這個結(jié)果是合理的。不過該說不說，這個比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯，尤其是 10.5kbar 的曲線，峰并不明顯，10kbar 的轉(zhuǎn)變也尚不如 20kbar 明顯。這三個比熱的轉(zhuǎn)變看起來也有些區(qū)別，尤其是 10kbar 和 10.5kbar 的數(shù)據(jù)，僅差了 0.5kbar，但圖像差異卻很大。不過考慮是高壓下測量的，或許有一些我們不知道的困難吧。
Dias 還給出了樣品的 XRD（X 射線衍射）結(jié)果，并繪制了晶胞圖像，這當然也是必要的。
a 圖即 XRD 結(jié)果，他們采用了 Mo 靶，紅線是理論計算的結(jié)果，圓圈是實際測量的結(jié)果，藍線是二者的誤差，看得出來，測量與計算的結(jié)果區(qū)別很小，樣品可以說是一個純相，Dias 團隊計算樣品占比為 92.25%，雜質(zhì)為 LuN1?δHε 和 Lu2O3。
b 圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉紅色的是氮原子，他們給出的樣品化學式是 LuH3?δNε，61kbar 時空間群是 Fm-3m 和 Immm，但 Dias 認為超導相空間群是前者。
最后是該樣品的超導相圖（原文這是第一張圖），Tc 隨著壓強升高而減小，這是出乎大家意料之處，后面或許也將成為研究的重點，b 圖是樣片形貌隨著壓強的變化，常壓下是藍色的，隨著壓強升高逐漸變?yōu)榉奂t，最終呈現(xiàn)紅色，樣品的顏色還是非常喜慶的。
篇幅有限，支撐材料就不帶大家一起看了，感興趣的同學可以點擊鏈接跳轉(zhuǎn) nature 官網(wǎng)查看。
Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature
從文章來看，這項工作無疑是突破性的，相關證據(jù)也很充足，如果能重復出來，搞不好未來能發(fā)諾獎。但物理學的研究終究不是一家之言，任何科學研究都應該經(jīng)得起驗證，這個也不例外，這項工作勢必要經(jīng)過行業(yè)內(nèi)各個研究組的重復，如果經(jīng)過多次重復之后，確定該結(jié)果的正確性，那將是劃時代的工作。我們今年諾獎預測也就有底氣了。
這次的工作號稱是近環(huán)境下的室溫超導，通過上文，大家也能看到，Tc 最高處的壓強為 1Gpa，大約 1 萬個大氣壓，雖然還是很大，但相比于之前的 270 萬個大氣壓，已經(jīng)小了很多了，重復的難度也小了很多，相信已經(jīng)有很多研究組已經(jīng)開始著手重復實驗了。
不過目前很多人對這個結(jié)果持觀望態(tài)度，一方面是因為重復實驗結(jié)果還沒出來，另一方面或許是因為 Dias 之前的“前科”。
其實，在這之前，Dias 就已經(jīng)有了兩個突破性的進展。一個是金屬氫，另一個就是上一個室溫超導。
Dias 首先宣稱自己在高壓下合成了金屬氫，相關文章發(fā)表在 science 上，但其他研究組沒有重復出來，而他自己后來宣稱，由于保存不當，保存金屬氫的裝置壓力泄露，最終金屬氫因為壓力不足汽化消失了。后來，Dias 也沒有再合成金屬氫。由此，金屬氫可以說是成為了一樁“懸案”。
上次的氫化物室溫超導也是由 Dias 合成的，其實現(xiàn)的壓強高達 270GPa，相關結(jié)果發(fā)表在 nature 上，但后續(xù)多個研究組試圖重復該實驗未果，并由于 Dias 未披露原始數(shù)據(jù)，多人認為其在磁化率的數(shù)據(jù)處理中使用了錯誤的方法，得到了并不能算正確的結(jié)論。因此在大家的一致抗議下，最終該文章被從 nature 上撤稿，當然，Dias 研究團隊所有成員都對該撤稿行為表示抗議，不過最終沒有挽回。
正是因為這兩起事件，領域內(nèi)許多科學家對 Dias 研究團隊其實持不信任態(tài)度，畢竟他們的數(shù)據(jù)結(jié)果總是比別人漂亮許多。但這次 Dias 給出很多原始數(shù)據(jù)，可以說全面又豐富，況且這次的成果只需要 1GPa 的壓強，重復起來相對簡單，想必我們很快就可以對該成果給出一個定論了，讓我們拭目以待吧。
參考資料：
羅會仟，《超導“小時代”：超導的前世、今生和未來》，清華大學出版社，2022.
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆梓
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