这个室温超导研究，要么是惊天乌龙，要么将改变世界
2023-3-11 18:5:11 Author: 爱范儿(查看原文) 阅读量:10 收藏
是乌龙
还是创举

在美国物理学会（APS）3 月年会上，罗切斯特大学的兰加‧迪亚斯（Ranga P. Dias）团队扔下一枚「重磅炸弹」，宣称在 1GPa（约等于 1 万个大气压）的压强下，镥-氮-氢体系材料中实现了室温超导。
相关论文 3 月 9 日凌晨正式发表在《自然》杂志上。
此消息一出，瞬间成为了科研圈和媒体圈的热门话题。不过，看到这里的你，可能会有很多问题：超导是什么？室温超导又是什么？为什么这么多人都在关注这项研究成果？
太长不看版
超导是材料在一定温度下电阻变为 0 的物理现象；
超导体的应用有望为科技带来巨大变革，但苦于超导转变温度过低，应用受限；
室温条件下的超导体是超导研究人员的终极梦想；
但研究作者此前有类似论文曾被撤稿，对于此次公布的室温超导结果需保持谨慎，还需进一步实验验证。
超导是什么？
物理上，超导（superconductivity）是材料在低于一定温度时电阻变为 0 的现象，转变后的材料称为超导体（superconductor）。
中学课本里提到过，在一个电路中，导线里的电荷在电压驱动下会像跑步运动员一样运动，从而形成电流，但经过导体的电阻会阻碍它们的运动。
如果电路由超导体组成，电荷就能在电路中自由自在地奔跑，电流会一直流动下去。在一个超导铅制成的环路中，可以连续几个月都观测不到电流有减弱的迹象。

超导现象由昂内斯在 1911 年发现 |图片来自：诺贝尔奖官网

超导现象最早由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现。
1911年 ，他用液氦将水银的温度降低到 4.2K（约为-269℃）附近时，惊奇地发现水银的电阻突然消失了。后续人们发现铅、铌等元素也有类似的电阻突变为0的性质。
昂内斯因液氦的制备和超导现象的发现，获得了 1913 年的诺贝尔物理学奖。
这里的 K 念作开尔文，和摄氏度一样，也是温度的一种计量单位。数值上，它只需要减去 273.15 就是摄氏温度。比如说，4.2K 就是-268.95℃。绝对零度指的是 0 K，相当于 -273.15℃。
除了电阻为 0 以外，超导体还有另一个奇特的性质，称为完全抗磁性。
1933 年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meißner）和罗伯特·奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）发现，材料转变成超导体后，就好像武僧穿上了金钟罩，体内的磁场会全部排斥在外。
这个现象也被称为迈斯纳效应。
根据超导体的完全抗磁性，可以做个有趣的实验：在超导体的正下方放置一个磁体，磁体在周围产生磁场，而超导体的内部不允许磁场存在，从而产生相反磁场，与磁体互相排斥。
如果排斥力和超导体的重力相平衡，就能让超导体悬浮在半空中，仿佛科幻小说中的场景。
电影《阿凡达》里的哈里路亚山，按照设定，便是超导矿物在磁场中悬浮的结果. 图片来自：《阿凡达》
后来物理学家总结，要看一个材料是不是超导体，就看它是否同时具有零电阻现象和完全抗磁性的特征，两者缺一不可。
因为自身特殊的性质，超导体引发了人们对它未来应用的无限遐想。比如：
零电阻的电路几乎没有热损耗，使用超导体材料进行长距离大容量输电，能极大地减少能量浪费，提高能源利用效率；
超导线运用于发电机、电动机能大幅提高电流强度和输出功率；
超导体制作超大规模集成电路的连线，能解决散热问题，提高运算速度；
超导体的现实应用，有可能为科学技术带来巨大而深刻的变革。
超导体进行长距离大容量输电，能极大地减少能量浪费. 图片来自：instituteforenergyresearch.org
可惜，理想很丰满，现实很骨感。直到目前为止，超导体的实际应用还主要集中在粒子加速器、磁悬浮、超导量子干涉仪等特定情境中。在电力工程方面，尤其是被寄予厚望的超导线长距离输电，大范围应用仍然遥遥无期。
是什么限制了超导体的大范围应用？根本原因只有一个：温度。
寻找高温超导体
材料转变为超导体的温度被称为超导临界温度（T(c)），低于这个 T(c)，超导体才能保持自身的超导性质。
然而，绝大多数材料的T(c)都非常低，基本都在 50K（也就是大约-220℃）以下，需要借助液氮或液氦等维持低温环境。
想象一下，辛辛苦苦建造一条几百公里的超导输电线，还需要全程浸泡在液氮中冷却，成本得多么夸张！
所以为了让超导体得到更广泛的应用，必须要找到 T(c) 更高、最好是室温条件下（大约 300 K 左右）也能保持超导性质的材料。
从发现超导现象开始，物理学家对高 T(c) 超导体的寻找从未停止，但一直举步维艰。
在最开始的 70 多年内，T(c)的上限连突破 30K 都很困难，甚至有理论提出超导体的 T(c) 不可能超过 40K，给大家泼了好大一盆冷水。
柏诺兹（右）和缪勒（左）因为高温超导体的发现而获得1987年诺贝尔物理学奖. 图片来自：Keystone / Str
直到 1983 年，IBM 公司的工程师约翰内斯·贝德诺尔茨（Johannes Bednorz）和卡尔·缪勒（Karl Müller）在镧-钡-铜-氧体系中提出可能存在 35K 的超导电性，其他研究团队在后续实验中发现，这种铜氧体系的 T(c) 竟然最高能达到 138K（HBCCO），一下子把记录提高了超过 100K！
物理学家将这类铜氧化物超导体称为高温超导体，柏诺兹和缪勒也因此获得了 1987 年的诺贝尔物理学奖。
虽然名为高温超导体，但也只是相对于先前 40K 的低温而言的，铜氧化物的 T(c) 和物理学家的最终目标还有一定距离。
高压物理学家埃雷米茨刷新了超导临界温度的最高记录. 图片来自：MPIC, Carsten Costard
又一项重要突破发生在 2015 年，德国物理学家米哈伊尔·埃雷米茨（Mikhail Eremets）发现硫化氢在 150 万个大气压的极高压力下，T(c) 能达到 203K，刷新了超导临界温度的最高记录。
虽然这种在超高压下的超导体缺乏实际应用场景，但仍然是令人激动的温度突破。
说到这里，这次扔下室温超导「重磅炸弹」的拉甘‧迪亚斯就要登场了。
充满疑点的室温超导
2020年，迪亚斯在《自然》杂志上发表了一篇关于室温超导的论文，引发巨大轰动。
迪亚斯的实验方式主要是对碳、硫、氢气混合形成的材料用激光照射和金刚石挤压，发现材料在极高压下能达到 287.7K 的临界温度。这是首次有实验结果表明 T(c) 达到室温，瞬间在全世界的科研圈和媒体圈中引发了轰动。一时间，似乎室温超导这一终极梦想距离现实已近在咫尺。
这样的实验需要使用激光照射和金刚石挤压，以达到极高的压强. 图片来自：J. Adam Fenster / University of Rochester
然而，众人的热情很快被质疑声浇灭。迪亚斯的这篇论文发表后，众多学术界大牛对他的实验数据表示怀疑，比如说像磁化率的原始数据和数据处理缺乏依据，之前做出硫化氢超导的埃雷米茨尝试了 6 次也没能复现出迪亚斯的实验结果。
两年后的 2022 年，尽管迪亚斯团队坚持认为实验结果不存在问题，那篇论文仍然在质疑声中被《自然》杂志撤稿。
投下室温超导「重磅炸弹」的拉甘‧迪亚斯 图片来自：罗切斯特大学
就在人们以为迪亚斯的「室温超导」要以一场闹剧收场时，没想到他在昨天（3 月 8 日）的美国物理学会会议上又扔下了一枚「重磅炸弹」。这次他声称，发现镥-氮-氢体系的材料在 1GPa 的压强下同样实现了约 21℃ 的超导。
相比那篇被撤稿的论文，这次实验结果的压强条件直接从 267GPa 大幅降低到了 1GPa。虽然 1GPa 仍然是现实情境中难以实现的压强，但如果实验结果得到证实，那也是为室温超导的实现迈出了一大步。
与 2020 年一样，这次迪亚斯的论文同样被《自然》杂志接收并发表，也已经有学者再次对实验数据提出了质疑。
迪亚斯的最新实验结果究竟是超导物理研究的重要里程碑，还是又一场学术界的闹剧，还有待科学家进一步研究和讨论。
作为看热闹不怕事大的旁观者，对此恐怕还是保持观望态度为好。
关于这次超导领域的最新研究进展，我们也联系了几位相关领域的学者，他们与我们分享了大家关心的几个常见问题。
问：相比上一次该团队发布后被撤稿的研究而言，这次室温超导的研究有什么新的亮点？
刘寒雨教授——吉林大学物理学院，研究方向：极端条件下的材料、高压下的氢和氦化合物、新型超导材料的计算设计
上次撤稿的nature文章里报道的是在极端高压强下（大于 100 万大气压强）的室温超导电性，而本次工作中报道的是1万大气压强下的室温超导电性。压强很低，可以做更多表征证明它的超导电性。
学者A——专业领域：凝聚态物理、材料领域
上一个 C-S-H 的工作是在百万大气压以上的压力下合成并测量的，金刚石台面及样品只有微米级，相关的测量非常有难度，也容易引入各种不确定的实验失误。
这次Lu-N-H的工作是在近常压下完成了，金刚石台面及样品可达到几十甚至百微米以上，相关的物理量测试的精度会更高，准确性会更强。
这个工作（如果后续证实是对的），解决了富氢化合物（近）室温超导所需要的极为苛刻的超高压条件（百万大气压以上），极大的推动了这一体系真正在常压下实现实用化的进程。
学者B——专业领域：高压极端条件下凝聚态物质结构与性质的研究
首先压力更低了，仅有 1 万大气压，远远低于上次室温超导所需的 267 万大气压，这样的实验条件，广大的实验同行很快就可以跟进，使得这一次的实验验证远比上一次容易。其次文章中给出的主观数据非常充分，包括电阻，磁化率测量，热容测量，XRD 测量还结合了理论计算。综上所述，如果数据可靠的话，将是一个重大突破。
问：从目前的论文来看，这个研究靠谱吗？
刘寒雨教授：
目前而言，文章的图和数据看起来，超导电性比较清晰。但是仍需第三方独立证实。对媒体上广泛报道的所谓发现室温超导体的表述，现在还需要谨慎乐观。
学者A——专业领域：凝聚态物理、材料领域
目前，文章展示了超导行为表征所需的零电阻数据以及抗磁数据，同时对于比热及结构都进行了相应的表征，作者基本上做了高压下能够进行的除了红外光谱外的大多数关于超导测量的实验表征，数据质量很高，让人很难驳斥。但文章中依然有一些难以理解的点，比如：

1） 作者利用金属 Lu 与氢气及氮气的混合物在 65°C 左右合成样品。以我们团队合成氮化物及氢化物的经验来说，氮-氮三键打开并参与化学反应是非常困难的，通常需要极高的温度（如 2500-3000K 以上）并利用激光加热实现。65°C 就能够将氮掺入到晶格中我们是很难理解的。

2） 以往合成的富氢超导材料通常为黑色，如果表面比较光滑，利用反射光显微镜成像能看到金属光泽，但是作者报道的 Lu-N-H 体系在较低的压强范围下颜色变化非常大，与以往无机物的经验不是非常符合。

因此，尽管该工作已经提供了较为完善的实验证据，还需要其余的研究团队证实。
学者B——专业领域：高压极端条件下凝聚态物质结构与性质的研究
文章中给出的数据从主观上看非常充分，但是磁学噪音比较小，样品过于均匀，颜色随压力变化极其敏感，整体上来看不同以往的氢化物，所以还是需要更多课题组去实验验证。
问：如果这个新发现靠谱，离实际应用还有多远？在应用上有什么关键性的问题需要解决？
刘寒雨教授：
如果靠谱的话，由于其压强已经到了1万大气压强了，已经相当低了，对于科学研究还是很重要的。但是对于实际应用，比如超导电缆等，仍需要在常压下获得室温超导材料。
实际我们也对这三个元素的组合材料做了大量的预测，但仍未发现与实验一致的结果。从理论上讲，氢化物超导的机制是需要氢比例非常高的，而高氢比例需要高的压强，但是这个实验工作的压强较低，所以从理论上讲，很难预测出高氢比例的氢化物。综上所述，我对于预测出这三个元素的高超导结构不乐观。
学者A——专业领域：凝聚态物理、材料领域
如果这个研究是正确的，那么室温超导的应用将不是梦想。但是其室温超导的压力依然需要1万大气压左右，虽然与以往氢化物的百万大气压的稳定压力相比已经有了质的飞跃，但是依然离常压环境有较大差距，还需要科学家进一步的研究将压力降至常压环境。另外，如果未来的产品依然需要几千大气压的氢气合成，那么也是不可取的。在几千大气压条件下，氢气的爆点极低，些许扰动如撞击或火花即可引爆腔体造成事故。另外，氢气分子也非常的小，且具有氢脆效应，它能够腐蚀一般的金属，因此在存储和运输上的也具有非常大的挑战。另外，这种富氢材料通常为粉体，能否制成具有应用价值的薄膜、线材或者体材料依然需要人们去做进一步的探索。
学者B——专业领域：高压极端条件下凝聚态物质结构与性质的研究
如果这个新发现靠谱，需要从金刚石对顶砧实验转战到大压机实验，这个过程可能需要好几年时间，再到实际应用还需要更多时间，但是目前的工作重心还是这个实验的可重复性。

参考文献

[1]Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250 (2023).

[2]Blundell S J. Superconductivity: a very short introduction[M]. OUP Oxford, 2009.

[3]罗会仟.铁基超导的前世今生[J].物理,2014,43(07):430-438.

[4]https://phys.org/news/2023-03-viable-superconducting-material-temperature-pressure.html

[5]Tinkham M. Introduction to superconductivity[M]. Courier Corporation, 2004.

[6]Ray P J. Structural Investigation of La (2-x) Sr (x) CuO (4+ y): Following a Staging as a Function of Temperature[M]. Niels Bohr Institute, Copenhagen University, 2015.

作者：中子星

编辑：Steed、Owl

鸣谢：中国科学院物理研究所 罗会仟研究员

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