一項新紀(jì)錄，轟動整個物理界。
       在15℃溫度下，竟然也能觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象！
       這就是來自羅切斯特大學(xué)的最新研究，他們設(shè)計出了一種新型氫化物，可以在這般「高溫」下，無任何電阻地導(dǎo)電。
       科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種由氫-硫-碳組成的材料，在巨大的壓力（大約是地球核心的75%）下，室溫時就能轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。

這也是人類發(fā)現(xiàn)的第一種室溫超導(dǎo)體。
       Nature也以封面的形式對其報道，意義之重，可見一斑。

       西班牙巴斯克大學(xué)凝聚態(tài)物質(zhì)理論家 Ion Errea認(rèn)為：
       這是第一次真正聲稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)現(xiàn)象。
       劍橋大學(xué)的材料科學(xué)家Chris Pickard評價道：
       這顯然是一個里程碑。

1、首個室溫超導(dǎo)體

來自羅切斯特大學(xué)的科學(xué)家將兩種氫化物混合在一起，然后在超高壓下讓整個混合物重新組合。

他們選擇了硫化氫（一種臭雞蛋氣味氣體）和甲烷（天然氣主要成分），將這兩種物質(zhì)與鉑電極一起放在金剛石砧中。

金剛石砧是兩個“尖對尖”金剛石，在二者之間可以產(chǎn)生巨大的壓力，可以達(dá)到幾百萬個大氣壓。
       當(dāng)壓力超過4萬個大氣壓時，研究人員用綠色激光照射數(shù)小時，破壞硫-硫鍵，從而形成硫-氫化合物。

       在175萬個大氣壓下，樣品冷卻至-93°C就會發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。如果繼續(xù)增加壓力，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度會不斷提高。
       當(dāng)?shù)竭_(dá)到267萬個大氣壓時，只需把樣品降低至15°C，就能看到電阻消失。
       除了電阻為零外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了另一些超導(dǎo)的證據(jù)，比如在轉(zhuǎn)變溫度下，這種物質(zhì)屏蔽了磁場，這是超導(dǎo)體一項重要特征。

       為了尋找這種室溫超導(dǎo)化合物，他們用廢了幾十對金剛石砧，每一對的價格3000美元。論文通訊作者Ranga Dias說：“我們研究的最大問題就是金剛石預(yù)算?！?/strong>
       金剛石砧產(chǎn)生的超導(dǎo)材料數(shù)量極少，大約是單個噴墨顆粒的大小。而且這種超導(dǎo)材料不夠穩(wěn)定，只要放置過夜就會分解。
       超高壓條件以及不穩(wěn)定的性質(zhì)，意味著這種室溫超導(dǎo)體難以有實際性質(zhì)，但這卻是人類發(fā)現(xiàn)的第一種室溫超導(dǎo)體，探索超導(dǎo)體100多年的道路上具有里程碑意義。

       2、應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)體

       超導(dǎo)體（superconductor），是指在低于某一溫度時，電阻為零的導(dǎo)體。
       超導(dǎo)現(xiàn)象是在100多年前，由荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)。他把汞降低到4.2K（約零下269度）時，發(fā)現(xiàn)汞的電阻突然消失，因此獲得了1913年諾貝爾物理學(xué)獎。
       除了「零電阻」外，它還具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特點。
       完全抗磁性，又稱邁斯納效應(yīng)，能讓超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，及超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場。這種特性最大的用途是用來做磁懸浮。

       磁通量量子化，又叫做約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象。
       超導(dǎo)體中的磁通量量子化可以用來制造超導(dǎo)計算機(jī)。

除了這些高大上的設(shè)備，我們的日常生活也離不開超導(dǎo)體，比如醫(yī)院里的核磁共振成像，還有手機(jī)信號基站也需要超導(dǎo)體來制造濾波器。
       然而，超導(dǎo)體的低溫限制，成了它的阻礙它應(yīng)用的最大局限。

       直到1987年，美籍華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)了液氮（77K）溫區(qū)的“高溫超導(dǎo)體”釔鋇銅氧，才讓超導(dǎo)體應(yīng)用更加廣泛。
       但科學(xué)家們希望能夠找到一種無需冷卻，在室溫下即可使用的超導(dǎo)體。
       這也正是此次發(fā)現(xiàn)能夠引起如此反響的原因——是科學(xué)家們苦苦探尋了幾十年的一種超導(dǎo)體，提高溫度意味著不需要復(fù)雜的冷卻設(shè)備。
       要知道，此次的研究要比去年的最新進(jìn)展足足高出了30多攝氏度。

       除了高溫這個局限性外，還有就是高壓。
       超導(dǎo)體只能在極高的壓力下存活，相當(dāng)于接近地球中心的壓力，相當(dāng)于馬里亞納海溝壓力的40倍。
       因此，也正如研究作者所說，這意味著它不會有任何直接的實際應(yīng)用。
       盡管如此，物理學(xué)家們?nèi)匀幌Ｍ?，這個超導(dǎo)體能夠為開發(fā)在較低壓力下工作的零電阻材料鋪平道路。

3、5年追夢成真

5年前的德國物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)為找到室溫超導(dǎo)體敲開了大門。

要知道為何氫-硫-碳會成為室溫超導(dǎo)體，我們先介紹一下超導(dǎo)的原理。
在正常狀態(tài)下，電子以個體形式運動，碰撞到原子就會產(chǎn)生電阻。
而在超導(dǎo)體中，兩個電子會配對形成所謂“庫珀對”（Copper pair）。一旦電子結(jié)伴，它們就會以量子液體的形式無阻礙地通過導(dǎo)體，讓電阻徹底消失。
庫珀對的形成可以這樣通俗理解：
當(dāng)帶正電的原子被電子吸引后，就會聚集起來，這里正電荷多一點，自然會吸引別的電子過來，這兩個電子即完成配對。

       顯然原子質(zhì)量越重，就越難被電子吸引，電子也就越難形成庫珀對，因此科學(xué)家把目光瞄向了最輕的原子——氫。
       但問題是，常壓下固態(tài)氫中沒有自由電子。只有高壓改變固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)，讓氫釋放出電子，才有可能形成庫珀對。此時氫變成了一種金屬狀態(tài)——金屬氫。

△ 木星內(nèi)部可能存在金屬氫

       1968年，康奈爾大學(xué)物理學(xué)家Neil Ashcroft預(yù)測，金屬氫在常溫下應(yīng)該是超導(dǎo)體。
然而，要讓金屬氫變成超導(dǎo)體需要的壓力實在太大了，以現(xiàn)有實驗室條件難以達(dá)到，倒是木星內(nèi)部有可能滿足這樣的條件。

△ 科學(xué)家用高壓制備出金屬氫

2017年，哈佛大學(xué)科學(xué)家在實驗室中制備出金屬氫，但壓力不足以讓其變成超導(dǎo)體。Ashcroft將希望寄托在富含氫的化合物上，這類化合物獲取能在稍低的壓力下變成超導(dǎo)體。
       但添加多少比例的氫是個技術(shù)活。如果添加太少，化合物就不會像金屬氫那樣超導(dǎo)。如果添加太多，那么化合物超導(dǎo)所需壓力太大，實驗室里難以達(dá)到。
       終于在2015年，德國科學(xué)家Eremets發(fā)現(xiàn)，一種氫和硫的化合物在-70℃時轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體。
       2018年，同樣是Eremets的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了冰箱溫度下的超導(dǎo)體氫化鑭，這種物質(zhì)在-23℃、170萬個大氣壓下變成超導(dǎo)體。

       參考鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/