提問(wèn)，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(guó)物理學(xué)會(huì)的三月會(huì)議中的一天，可不要小看這一天，看似平平無(wú)奇的一天，卻爆出來(lái)可能會(huì)改變世界，改變?nèi)祟?lèi)的物理學(xué)進(jìn)展。
羅徹斯特大學(xué)的 Dias 團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)，他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元相，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，其在大約 10kbar（也就是 1GPa，約相當(dāng)于 1 萬(wàn)個(gè)大氣壓）下可以實(shí)現(xiàn)約 294K（也就是約 21℃）的室溫超導(dǎo)電性。
這時(shí)，就有人要問(wèn)了，超導(dǎo)是個(gè)啥，發(fā)現(xiàn)個(gè)室溫超導(dǎo)為啥這么激動(dòng)？
01、超導(dǎo)及其應(yīng)用價(jià)值
超導(dǎo)態(tài)是材料的一種特殊狀態(tài)，在超導(dǎo)態(tài)中，材料處于零電阻的狀態(tài)中，初中二年級(jí)的物理告訴我們，電阻是材料普遍具有的性質(zhì)，當(dāng)電流流經(jīng)材料時(shí)，其內(nèi)部的晶格、雜質(zhì)等會(huì)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，載流子本身攜帶的能量會(huì)被轉(zhuǎn)移到晶格上，宏觀上造成焦耳熱，電勢(shì)也會(huì)相應(yīng)下降。
而沒(méi)有電阻的超導(dǎo)體就完全沒(méi)有上述問(wèn)題，電流流經(jīng)超導(dǎo)體，既不會(huì)發(fā)熱，也不會(huì)出現(xiàn)壓降，因此電流可以無(wú)衰減地在超導(dǎo)體中流動(dòng)。
很明顯，超導(dǎo)體的意義是顯而易見(jiàn)的，如果我們的電線都采用超導(dǎo)體，那就不會(huì)存在能量衰減。我們現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù)，其實(shí)就是提高輸電線的電壓，來(lái)盡可能降低能量損耗，可如果使用了超導(dǎo)電線，將完全不存在這個(gè)問(wèn)題，將徹底改寫(xiě)整個(gè)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(dǎo) Tc（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，指超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度）的限制，這一設(shè)想完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的絕大部分超導(dǎo)體 Tc 都在 77K（-196℃）以下，這是液氮的沸點(diǎn)，Tc 在這之下的超導(dǎo)體大部分時(shí)候是使用更加昂貴的液氦制冷來(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，只有少部分銅基超導(dǎo)體 Tc 達(dá)到了 77K 之上，可以使用液氮制冷來(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。
即便如此，超導(dǎo)體在我們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)有了應(yīng)用，醫(yī)院的核磁共振便采用了超導(dǎo)體，這就涉及了超導(dǎo)體的另一重大應(yīng)用方向，即產(chǎn)生大磁場(chǎng)。
當(dāng)我們需要一個(gè)很大的磁場(chǎng)時(shí)，我們首先想到的是什么？磁鐵？不不不，永磁體的磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們的要求，再回想一下初中二年級(jí)的物理知識(shí)，沒(méi)錯(cuò)，通電螺線管??！利用電流，我們也可以得到磁場(chǎng)，更令人振奮的是，磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比，也就是說(shuō)，電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)。
但大電流就會(huì)遇到上文提到的兩個(gè)問(wèn)題，焦耳熱與壓降，大電流會(huì)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(chǎng)就會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)一分，但產(chǎn)熱會(huì)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(lái)源是電阻，只要沒(méi)有電阻，就可以完全不考慮焦耳熱的影響，因此超導(dǎo)體在這里的意義就顯而易見(jiàn)了，我們?nèi)绻贸瑢?dǎo)體線材制作線圈，就可以幾乎無(wú)節(jié)制（磁場(chǎng)也可以抑制超導(dǎo)態(tài)，這里需要注意產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能超過(guò)超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)）地提升線圈內(nèi)的電流強(qiáng)度，進(jìn)而獲得強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這就是核磁共振中強(qiáng)大磁性的來(lái)源。
除了以上場(chǎng)景，利用兩個(gè)不同超導(dǎo)體做成的約瑟夫森結(jié)也有重要應(yīng)用價(jià)值，我們可以利用它制作 SQUID，這個(gè)裝置是目前最精確的磁場(chǎng)探測(cè)裝置，在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)中也有重要應(yīng)用。
看到這里，你應(yīng)該對(duì)室溫超導(dǎo)的意義有一定認(rèn)知了，如果我們真的可以發(fā)現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo)，那將使整個(gè)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生重大改變，我們現(xiàn)有的科技可能面臨顛覆，能源問(wèn)題得到重大緩解，對(duì)整個(gè)人類(lèi)都具有重大進(jìn)步意義。
我們還是簡(jiǎn)單介紹一下超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歷程及其輸運(yùn)性質(zhì)，這有利于我們理解 Dias 的工作。
02、超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)理
1911 年，昂內(nèi)斯改進(jìn)了制冷設(shè)備，率先將溫度降至液氦沸點(diǎn)之下，在此期間，他發(fā)現(xiàn)汞的電阻在 4.2K 時(shí)突然降為零，經(jīng)過(guò)再三確認(rèn)，他最終確定，這不是實(shí)驗(yàn)上的失誤或誤差，這是汞本征的性質(zhì)，由此，他打開(kāi)了超導(dǎo)的大門(mén)，汞也是我們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體，Tc 為 4.2K。
昂內(nèi)斯僅僅測(cè)量的汞的電阻，這揭示了超導(dǎo)體在電輸運(yùn)上的特征，也就是零電阻。
后來(lái)，1933 年，邁斯納在對(duì)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的錫或鉛金屬球做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，其內(nèi)部的磁場(chǎng)會(huì)迅速被排出體外，磁場(chǎng)只在超導(dǎo)體外部存在，超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全抗磁性，這就是邁斯納效應(yīng)。
后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體可以進(jìn)一步劃分為第一類(lèi)超導(dǎo)體和第二類(lèi)超導(dǎo)體，第一類(lèi)超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全的抗磁效應(yīng)，內(nèi)部完全沒(méi)有磁場(chǎng)。而第二類(lèi)超導(dǎo)體則允許磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生磁通量子，也就是允許磁場(chǎng)部分地進(jìn)入超導(dǎo)體。
以上對(duì)超導(dǎo)體的研究更多地還停留在對(duì)其性質(zhì)探究，我們實(shí)際上也一直在尋找超導(dǎo)的內(nèi)在機(jī)理，探索其本質(zhì)。
最開(kāi)始的嘗試是倫敦方程，不過(guò)這個(gè)理論無(wú)法揭示穿透深度與外磁場(chǎng)的關(guān)系。1950 年左右，前蘇聯(lián)科學(xué)家金茲堡和朗道提出了解釋超導(dǎo)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(jí)相變理論的基礎(chǔ)上，用序參量描述超導(dǎo)體。該理論成功解釋了超導(dǎo)體，上文提到的第一類(lèi)超導(dǎo)體與第二類(lèi)超導(dǎo)體就是根據(jù) G-L 方程求解的界面能的正負(fù)判定的。
根據(jù) G-L 理論，超導(dǎo)體從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)二級(jí)相變，因此，理論上我們可以在比熱的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)其在 Tc 處有一個(gè)躍變，或者叫一個(gè)峰。后來(lái)這也在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)。
看到這里，你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了，超導(dǎo)的文章特別好寫(xiě)，測(cè)一下電阻，測(cè)一下磁化率，如果可以的話，再測(cè)一下比熱，比熱即便測(cè)不了也不是什么大事，搞完這些就齊活了。
最后還要簡(jiǎn)單提一下，我們目前解釋超導(dǎo)的最好的理論就是 BCS 理論，這個(gè)理論的核心就是電子在與晶格的耦合中會(huì)出現(xiàn)電子吸引電子的可能，這樣兩個(gè)電子會(huì)結(jié)成庫(kù)珀對(duì)，結(jié)成庫(kù)珀對(duì)的電子可以看作玻色子，在低溫下，發(fā)生“凝聚”，能量可以無(wú)耗散地在凝聚的庫(kù)珀對(duì)中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。
但 BCS 理論也不能解釋所有超導(dǎo)態(tài)，我們根據(jù) BCS 理論計(jì)算得到麥克米蘭極限，即符合 BCS 理論的超導(dǎo)體 Tc 不會(huì)超過(guò) 40K，但實(shí)際上很多超導(dǎo)體都突破了這一極限，比如銅基超導(dǎo)和鐵基超導(dǎo)，這樣的超導(dǎo)體被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)體，也就是說(shuō)相對(duì)于之前 20 K 以下的超導(dǎo)體，Tc 高了很多。
本來(lái)還想介紹一下實(shí)驗(yàn)中高壓的獲取，篇幅所限，有機(jī)會(huì)再聊。之前有一篇文章也講解了實(shí)驗(yàn)室中的高壓技術(shù)，感興趣的可以點(diǎn)擊這里看一下。
03、新的室溫超導(dǎo)
有了上面這些預(yù)備知識(shí)，我們就可以一起來(lái)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(dǎo)的文章一樣，Dias 研究團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品電輸運(yùn)、磁化率及比熱進(jìn)行了測(cè)量。
首先是電阻的測(cè)量結(jié)果，左圖中給出了 10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測(cè)量結(jié)果，三個(gè)電壓下電阻都降低到了 0，這正是超導(dǎo)體的主要特征之一，需要注意的是，這里 1GPa 時(shí) Tc 是最高的，壓強(qiáng)越低，Tc 越高，是一個(gè)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(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的 V-I 曲線。
這張圖是對(duì)磁化率的測(cè)量，a 圖是 60Oe（Oe 是高斯單位制中表示磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的關(guān)系，也符合超導(dǎo)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(guò)在 a 圖中也可以看出來(lái)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)做了一定處理。
這里多提一句，磁化率的測(cè)量會(huì)明顯受樣品形狀、背底等因素的測(cè)量，理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性（即 4πχ=-1），但實(shí)際測(cè)量中測(cè)不到完全抗磁性（即 4πχ＞-1）也是可以理解的。當(dāng)然 Dias 的文章中并沒(méi)有約化，a 圖中縱軸是磁矩，并非磁化率。
Dias 還對(duì)比熱進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如上圖所示，這里給出了 10、10.5、20kbar 的測(cè)量結(jié)果，可以看到，三個(gè)比熱的曲線均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc 與電阻的測(cè)量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解，這個(gè)結(jié)果是合理的。不過(guò)該說(shuō)不說(shuō)，這個(gè)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(gè)比熱的轉(zhuǎn)變看起來(lái)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(guò)考慮是高壓下測(cè)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(dāng)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(jì)算的結(jié)果，圓圈是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，藍(lán)線是二者的誤差，看得出來(lái)，測(cè)量與計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小，樣品可以說(shuō)是一個(gè)純相，Dias 團(tuán)隊(duì)計(jì)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(xué)式是 LuH3?δNε，61kbar 時(shí)空間群是 Fm-3m 和 Immm，但 Dias 認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者。
最后是該樣品的超導(dǎo)相圖（原文這是第一張圖），Tc 隨著壓強(qiáng)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(diǎn)，b 圖是樣片形貌隨著壓強(qiáng)的變化，常壓下是藍(lán)色的，隨著壓強(qiáng)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(xué)可以點(diǎn)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(lái)看，這項(xiàng)工作無(wú)疑是突破性的，相關(guān)證據(jù)也很充足，如果能重復(fù)出來(lái)，搞不好未來(lái)能發(fā)諾獎(jiǎng)。但物理學(xué)的研究終究不是一家之言，任何科學(xué)研究都應(yīng)該經(jīng)得起驗(yàn)證，這個(gè)也不例外，這項(xiàng)工作勢(shì)必要經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)各個(gè)研究組的重復(fù)，如果經(jīng)過(guò)多次重復(fù)之后，確定該結(jié)果的正確性，那將是劃時(shí)代的工作。我們今年諾獎(jiǎng)?lì)A(yù)測(cè)也就有底氣了。
這次的工作號(hào)稱(chēng)是近環(huán)境下的室溫超導(dǎo)，通過(guò)上文，大家也能看到，Tc 最高處的壓強(qiáng)為 1Gpa，大約 1 萬(wàn)個(gè)大氣壓，雖然還是很大，但相比于之前的 270 萬(wàn)個(gè)大氣壓，已經(jīng)小了很多了，重復(fù)的難度也小了很多，相信已經(jīng)有很多研究組已經(jīng)開(kāi)始著手重復(fù)實(shí)驗(yàn)了。
不過(guò)目前很多人對(duì)這個(gè)結(jié)果持觀望態(tài)度，一方面是因?yàn)橹貜?fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒(méi)出來(lái)，另一方面或許是因?yàn)?Dias 之前的“前科”。
其實(shí)，在這之前，Dias 就已經(jīng)有了兩個(gè)突破性的進(jìn)展。一個(gè)是金屬氫，另一個(gè)就是上一個(gè)室溫超導(dǎo)。
Dias 首先宣稱(chēng)自己在高壓下合成了金屬氫，相關(guān)文章發(fā)表在 science 上，但其他研究組沒(méi)有重復(fù)出來(lái)，而他自己后來(lái)宣稱(chēng)，由于保存不當(dāng)，保存金屬氫的裝置壓力泄露，最終金屬氫因?yàn)閴毫Σ蛔闫Я?。后?lái)，Dias 也沒(méi)有再合成金屬氫。由此，金屬氫可以說(shuō)是成為了一樁“懸案”。
上次的氫化物室溫超導(dǎo)也是由 Dias 合成的，其實(shí)現(xiàn)的壓強(qiáng)高達(dá) 270GPa，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 nature 上，但后續(xù)多個(gè)研究組試圖重復(fù)該實(shí)驗(yàn)未果，并由于 Dias 未披露原始數(shù)據(jù)，多人認(rèn)為其在磁化率的數(shù)據(jù)處理中使用了錯(cuò)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(dāng)然，Dias 研究團(tuán)隊(duì)所有成員都對(duì)該撤稿行為表示抗議，不過(guò)最終沒(méi)有挽回。
正是因?yàn)檫@兩起事件，領(lǐng)域內(nèi)許多科學(xué)家對(duì) Dias 研究團(tuán)隊(duì)其實(shí)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(shuō)全面又豐富，況且這次的成果只需要 1GPa 的壓強(qiáng)，重復(fù)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，想必我們很快就可以對(duì)該成果給出一個(gè)定論了，讓我們拭目以待吧。
參考資料：
羅會(huì)仟，《超導(dǎo)“小時(shí)代”：超導(dǎo)的前世、今生和未來(lái)》，清華大學(xué)出版社，2022.
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：穆梓
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