最近，韓國室溫超導(dǎo)“LK-99”名噪一時，
各大媒體平臺對它關(guān)注有加，
超導(dǎo)學(xué)界更是加緊了復(fù)現(xiàn)工作。
然而，不管是實(shí)驗(yàn)還是理論計算，
不同的論文結(jié)果卻大相徑庭。
有的論文給出了支持超導(dǎo)的幾項證據(jù) [1][2]，
有的卻說只是普通磁性材料 [3]
甚至是雜質(zhì)的假信號 [4]。
LK-99 的前景也隨著論文的更新不停反轉(zhuǎn)，
籠罩在 LK-99 上的迷霧似乎越發(fā)濃重。
在人們探索超導(dǎo)的一百余年中，LK-99 不是第一個被宣稱實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，也不是第一個在后續(xù)的驗(yàn)證中陷入爭議的材料。事實(shí)上，很多種所謂的“室溫超導(dǎo)體”最后都無法定論，被物理學(xué)家們仿照不明飛行物 UFO 戲稱為“不明超導(dǎo)體”(Unidentified Superconducting Object，USO)。那么，世界上一共有過多少種疑似室溫超導(dǎo)體？它們的后續(xù)又究竟如何呢？
現(xiàn)在，究竟有多少種室溫超導(dǎo)？
近三周來，韓國團(tuán)隊的 arxiv 文章，讓室溫超導(dǎo)這一概念又一次被推上浪尖。近些年來，相關(guān)的大新聞一個接著一個，挑動著人們的好奇和期待，但是尚且沒有一個讓人滿意的結(jié)果。
實(shí)際上，人類對室溫超導(dǎo)的追求并不是近幾年才開始，在過去十幾年里，不斷有團(tuán)隊聲稱找到了室溫或接近室溫的超導(dǎo)體。
時間回溯到 2020 年 10 月，小編第一次感受到室溫超導(dǎo)如此廣泛的關(guān)注。當(dāng)時美國迪亞斯（R.Dias）團(tuán)隊有一項室溫超導(dǎo)“成果”發(fā)表在 Nature 上 [5]，聲稱綠色激光誘導(dǎo)合成的碳硫氫（C-S-H）化合物在 267GPa 壓強(qiáng)下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá) 288K。從此大家討論的問題涉及到超導(dǎo)時，都要感嘆一句：雖然壓強(qiáng)高的離譜，但是室溫超導(dǎo)終于要來了嘛！
但是可惜！經(jīng)過一段時間的等待，未等該實(shí)驗(yàn)被重復(fù)出來，關(guān)于迪亞斯的瓜倒是吃了不少。該工作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被同行懷疑受到了更改和操控，比如加州大學(xué)理論物理學(xué)家赫希（Jorge Hirsch）經(jīng)過仔細(xì)分析，先后發(fā)表兩篇論文質(zhì)疑批評該結(jié)果。經(jīng)過長時間的拉鋸，該文章最終在 2022 年 9 月被撤回。
一晃三年過去，室溫超導(dǎo)又來了！迪亞斯在 2023 年 3 月初的美國物理學(xué)會會議上宣布又發(fā)現(xiàn)了常溫超導(dǎo)體，聲稱高溫高壓條件下合成的镥氮?dú)洌↙u-N-H）化合物 1GPa 壓強(qiáng)下即可實(shí)現(xiàn) 294K 室溫超導(dǎo)，并在 Nature 上發(fā)表 [6]。已經(jīng)被上一個成果“晃”過一次的大家更多地帶上了“讓子彈飛一會兒”的態(tài)度，之前“怒懟”迪亞斯的赫希也親臨會場“對線”：
果然，這個結(jié)果不僅并未得到廣泛重復(fù)，反而有不少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)否定，比如國內(nèi)的南大團(tuán)隊的實(shí)驗(yàn) [7]，物理所團(tuán)隊的實(shí)驗(yàn) [8][9]。大家對室溫超導(dǎo)的關(guān)注也部分轉(zhuǎn)移到了這個兩次“發(fā)現(xiàn)”室溫超導(dǎo)的科學(xué)家迪亞斯，開始了解他的來路和過往。結(jié)果同行就發(fā)現(xiàn)其博士論文與多篇論文存在相似之處，某篇 PRL（Physics Review Letter，物理領(lǐng)域權(quán)威期刊）也與圖表與其他文獻(xiàn)驚人相似，指出迪亞斯可能存在學(xué)術(shù)不端行為，結(jié)果 C-S-H 相關(guān)論文也被展開了調(diào)查，該篇 PRL 也被撤稿。
迪亞斯受到的廣泛關(guān)注與人們愈發(fā)意識到超導(dǎo)體的重要性離不開，與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展分不開。但是實(shí)際上，此前就有很多聲稱找到了室溫超導(dǎo)體的例子。例如，2018 年兩位印度科研人員聲稱將納米銀粉加入金納米陣列中可以獲得 236K 的超導(dǎo)電性 [10]，其數(shù)據(jù)被麻省理工的斯金納（Brian Skinner）質(zhì)疑，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的噪音模式是一樣的，這在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中是不可能的。后來印度學(xué)者來辟謠是“量子噪音效應(yīng)”……
再比如，2016 年科斯塔迪諾夫 (Ivan Zahariev Kostadinov) 聲稱找到了轉(zhuǎn)變溫度為 373K 的超導(dǎo)體 [11]，但是并未公布超導(dǎo)體的組分和制備過程，以一種保密的姿態(tài)沒了后續(xù)。
更早的還有很多，2012 年有團(tuán)隊宣布經(jīng)過純水特殊處理的石墨粉在 300K 常壓下具有超導(dǎo)電性 [12]，2003 年有團(tuán)隊聲稱 n 型金剛石與電極、真空耦合后，能在常溫常壓下?lián)碛谐瑢?dǎo)相 [13]……
我們不得不承認(rèn)，在真正的室溫超導(dǎo)體出現(xiàn)（或者被可靠的理論證實(shí)是不可能的）之前，這樣類似的新聞可能會一個接一個，并有在可能引起一陣關(guān)注、挑起一次股票的波動后，讓人們失望而歸。不可否認(rèn)的是，常溫超導(dǎo)的真正到來將為世界帶來巨大的改變，但探索的道路可能漫長而艱辛，我們不妨懷著平靜的心情去留心，去期待。
在這里，我們將這些歷史上的部分“室溫超導(dǎo)”總結(jié)為如下表格，這張表格也會隨著相關(guān)新聞的增加而更新，來幫助我們更加全面地認(rèn)識相關(guān)事件。
表 1 歷史上的“室溫超導(dǎo)體”
為了便于直觀感受這里的壓強(qiáng)，舉兩個例子供參考：大氣壓為 101kPa，即 0.0001GPa，地心壓強(qiáng)為 370GPa。
看了這么多“室溫超導(dǎo)”事件，大家也不要失去信心。從元素超導(dǎo)體到銅基到鐵基超導(dǎo)體，我們對超導(dǎo)的認(rèn)識正在一步一步深入。值得關(guān)注的是，目前常壓下，超導(dǎo)體 Hg-Tl-Ba-Ca-Cu-O 有最高的轉(zhuǎn)變溫度，為 138K[15]。而在高壓下，LaH??材料轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了 252K[16]，這些都得到了廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
為啥過了這么久，還不能確定是不是超導(dǎo)
大家可能會很困惑一個問題，一個材料是不是超導(dǎo)體難道不是一個“非黑即白”的問題，能夠很快被廣泛地證實(shí)或者否定嗎？這樣來，就不至于留下這么多含糊不清的問題，也不至于像 LK-99 這樣讓大家已經(jīng)吃瓜吃了三周之久。實(shí)際上，問題沒這么簡單。
新的超導(dǎo)材料要想獲得認(rèn)可，既需要作者給出令人信服的數(shù)據(jù)，又需要其他同行能夠重復(fù)出同樣的效果 —— 北京的超導(dǎo)材料在紐約同樣應(yīng)該超導(dǎo)，這是物理人執(zhí)著的信念。要想確定一種新材料是否具有超導(dǎo)性，總需要用一臺儀器對一塊樣品做點(diǎn)什么。因此，對疑似超導(dǎo)體的驗(yàn)證工作至少可以分成兩大部分：獲得一塊高質(zhì)量的樣品和對樣品完成測試。
制備樣品就不是一件易事。雖然大家經(jīng)常戲稱制備樣品就像煉丹，但畢竟不是所有丹藥都能讓人長生不老（好像是所有丹藥都不能長生不老）。對于超導(dǎo)材料，“高質(zhì)量樣品”往往代表一塊大小合適的干凈的單晶。用來測試的晶體缺陷要盡可能地少，而雜質(zhì)則要幾乎完全排除。因此，晶界雜亂無章而且有大量雜質(zhì)的多晶雖然容易燒結(jié)，但測試結(jié)果卻很難說服嚴(yán)苛的審稿人和同行。要想制備出能用的樣品，需要昂貴的高純原料、復(fù)雜的燒結(jié)條件，以及難以言說的經(jīng)驗(yàn)和一些運(yùn)氣。
就算獲得了堪用的樣品，怎樣用它測出用說服力的數(shù)據(jù)同樣是一件技術(shù)活。常壓超導(dǎo)的樣品測起來簡單些，但也要有很多步驟。樣品首先需要清潔、用細(xì)砂紙打磨 —— 如果磨的力量輕了，樣品表面的雜質(zhì)沒被剝離，就會帶來假信號；如果磨得重了，樣品又可能直接四分五裂。幾毫米長的樣品磨好以后，還要并排粘上四根導(dǎo)電電極，用類似中學(xué)伏安法電壓表內(nèi)接的方式測試電阻。電極要粘得平行等長，彼此還要留出足夠的距離。從打磨到粘電極，這些顯微鏡下的精細(xì)活都要迅速完成，不然樣品在空氣中氧化變質(zhì)，前面的工作就會全部前功盡棄了。
高壓超導(dǎo)的驗(yàn)證則會更困難。且不說上百萬倍大氣壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件本身就勸退了大部分實(shí)驗(yàn)室參與驗(yàn)證的努力，單考慮測試技術(shù)本身就復(fù)雜到令人咋舌。要想辦法給樣品均勻地施加并傳導(dǎo)壓力而不至于損壞；要將樣品連同加壓裝置一起冷卻、加磁場；要從加壓機(jī)構(gòu)中引出四根導(dǎo)線連接測試設(shè)備的電壓表和電流表；還要壓制復(fù)雜裝置和極端條件產(chǎn)生的噪聲信號…… 所以高壓超導(dǎo)似乎著實(shí)有些命途多舛：金屬氫超導(dǎo)的樣品揮發(fā)，不了了之；臨界溫度 200 余 K 的碳硫氫雖然名噪一時，但去年終究撤稿；今年三月的镥氮?dú)涑瑢?dǎo)如今也接近草草收場……
超氫化物：大力出奇跡？
說了這么多，室溫超導(dǎo)體究竟會出現(xiàn)在哪種材料上呢？
在所有的“室溫超導(dǎo)材料”中，理論上最有可能實(shí)現(xiàn)、目前研究也最多的的，就是超氫化物。根據(jù)能夠解釋常規(guī)超導(dǎo)的 BCS 理論（以三位發(fā)現(xiàn)者的名字命名，巴丁，庫珀和施里佛），超導(dǎo)體的臨界溫度 Tc 與構(gòu)成超導(dǎo)體的原子質(zhì)量 M 的平方根成反比。這樣，科學(xué)家自然而然地想到，如果想要提高超導(dǎo)臨界溫度，那么最好的方法就是用最輕的元素 —— 氫。
要想將常壓下沸點(diǎn)-253℃的氫氣變成固體的導(dǎo)電材料金屬氫，就必須施加上幾百萬大氣壓的壓強(qiáng)。剛好，壓強(qiáng)的提高也有利于超導(dǎo)臨界溫度的提升。于是，世界各地高壓超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的金剛石壓砧里都注入了氫。但是，將氣態(tài)的氫壓成固體，保持穩(wěn)定再完成測量，實(shí)在太不容易了。幾十年過去，直到今天也幾乎沒人成功制備出金屬氫。唯一宣稱成功來自三月份聲稱實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的美國人迪亞斯 [18]。但被同行質(zhì)疑后他宣稱樣品保存不當(dāng)氣化消失了。這樁懸案就這樣讓人哭笑不得地不了了之。
由于金屬氫太難制備，科學(xué)家轉(zhuǎn)向了稀土氫化物。元素周期表最下面的鑭系元素可以與多個氫原子結(jié)合成分子并相對穩(wěn)定地存在。這種含有多個氫原子的化合物就被稱為富氫化合物，如果分子中氫含量更多，就叫做超氫化物。其中，被研究得最多的材料是 La-H 體系。在高壓下用激光照射按比例混合的單質(zhì)鑭和氫氣可以得到 LaH??，這是目前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的臨界溫度最高的超氫化物。它可以在 165 萬大氣壓下實(shí)現(xiàn)大約 252K（-13℃）超導(dǎo) [16]。
目前，對稀土富氫化物的研究還主要集中在二元體系中。隨著研究的深入，三元體系超氫化物逐漸受到關(guān)注，或許未來它可以刷新高壓超導(dǎo)的臨界溫度紀(jì)錄。需要指出的是，富氫化物是一類常規(guī)超導(dǎo)體，可以被上世紀(jì) 50 年代提出的 BCS 理論解釋和預(yù)測。富氫化物的成功固然是 BCS 理論的又一力證，但它的意義卻也幾乎只是在科學(xué)和極端條件實(shí)驗(yàn)技術(shù)上。上百萬大氣壓的壓強(qiáng)決定了它幾乎不可能走向?qū)嵱?/strong>。
結(jié)語
或許，未來會有更多的“室溫超導(dǎo)材料”出現(xiàn)又被證偽；或許，常壓室溫超導(dǎo)根本就不存在。但人類對溫和條件下超導(dǎo)的探索不會停止。這是工程學(xué)的期盼，也是科學(xué)的追求。小編相信，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的突破，未來會有更多的“室溫超導(dǎo)材料”出現(xiàn)。
未來，我們會與大家一起繼續(xù)關(guān)注。在物理所向濤院士的倡議下，我們最近將會上線一個網(wǎng)頁，搜集過去宣稱的“室溫超導(dǎo)材料”，追蹤室溫超導(dǎo)未來的發(fā)展。或許未來某一天，這個網(wǎng)頁上會出現(xiàn)真正的常壓室溫超導(dǎo)材料；或許那一天，因?yàn)槭覝爻瑢?dǎo)站上諾貝爾領(lǐng)獎臺的，是我們中國的科學(xué)家甚至是工作在物理所的科學(xué)家。
本文審核專家：中國科學(xué)院物理研究所 羅會仟研究員 劉淼 副研究員
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本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：小范、藏癡
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