深度解讀“人類首次實現室溫超導”

這篇刊登在《自然》封面的研究，和之前的研究思路并沒有太大區別，它唯一的重要性就是把臨界溫度紀錄又提高了。“最終總有一天，我們有希望在這一類材料里面達到室溫下穩定的超導材料，而不再需要這么高的壓力條件，那個時候超導研究的歷史性突破就真的實現了。”

室溫超導體材料能夠在無需冷卻的條件下零電阻導電，一旦實現，將對我們的電網基礎設施、高精尖物理科研設備、量子計算、通信設備等諸多領域產生革命性影響。

百余年來，科學家們一直在探索超導的理論極限，據統計，通過超導研究直接獲得諾貝爾獎的科學家已有10位，其重要性可見一斑。美中不足的是，之前所有超導體均需要在極低的冷卻溫度環境下才能工作，這大大限制了它作為一項利基技術進行大范圍應用的步伐。

最近5年，室溫超導作為終極沖刺目標，世界各國科研團隊在實驗室中展開了超級競賽，其中一個團隊終于刷新紀錄。

《自然》雜志以封面報道形式刊登了這項成果，新發現被譽為“第一個室溫超導體”，論文通訊作者為美國羅切斯特大學工程與應用科學學院的助理教授蘭加迪亞斯（RangaDias），他們報告了一種含有氫、硫和碳的化合物，可在高達287.7±1.2K（約15攝氏度）的臨界溫度下實現室溫超導性。與之對照，上一次實現的最高超導臨界溫度紀錄是260K（約一13.15攝氏度），由喬治華盛頓大學和華盛頓卡內基研究所的一個競爭小組在2018年實現。

與之前的超導實驗類似，這次實驗需要極高的壓力。羅切斯特大學的新紀錄是在高達267±10吉帕（GPa，109帕斯卡）的壓力條件下實現，這大約為250萬個大氣壓，是地下4500公里深處的壓力。

這一突破是否意味著室溫超導時代即將到來？

超導“升溫”百年角逐

1911年，科學家們最早觀察到超導現象。第一批超導體材料只有在極冷的溫度下才會失去電阻，最初實驗溫度接近絕對零度。零K，也即-273.15攝氏度。此后數十年，科學家經過一系列努力，緩慢地將這個溫度提升至23.2K。

到20世紀80年代，物理學家們試圖通過各類材料組合探索所謂的“高溫”超導體，超導材料家族擴展到包括金屬和合金、銅氧化物、重費米子、有機超導、鐵基超導體以及其他氧化物超導體等，逐步把超導材料的臨界溫度提升上來。

1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司研究中心報道了一種鑭鋇銅氧化物，具有35K的高溫超導性，標志著新一類銅氧化物高溫超導體的出現。此后多個研究團隊開始陸續公布進展。

科學家麥克米蘭曾根據獲1972年諾貝爾獎的BCS理論計算，認為超導臨界溫度最高不太可能超過40K（約-233攝氏度），他的推算得到了國際學術界的普遍認同，40K因此被稱為“麥克米蘭極限”，成為超導材料要跨越的一個標志性溫度。1986年，美國貝爾實驗室報告的超導材料，其臨界超導溫度就達到了40K。

極限仍未結束。1987年，中國科學家趙忠賢研究團隊和美國朱經武、吳茂昆團隊各自獨立在釔鋇銅氧系材料（Ba-Y-Cu-O）中發現超導電性，并把超導臨界溫度從0K迅速提升到93.2K，大大突破了麥克米蘭極限，銅氧化物成為第一個真正意義上的高溫超導家族，而趙忠賢等人的發現，也使得超導體所必須的低溫環境，可由原本昂貴的液氦替代為便宜而好用的液氮來創造，液氮溫區超導體為超導材料實用化打開了大門。

最新的這項研究，其實是幾十年前科學家們曾預測的另一個方向，即氫元素在受到充分擠壓時，可能在室溫下變成金屬，然后變成超導體。

2015年，德國物理學家米哈伊爾·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）研究小組曾報告，硫化氫可在203K（約一70攝氏度）溫度下出現超導電性，但需要施加高壓到220萬個大氣壓才能實現，但這個數值突破了銅氧化物超導材料保持多年的164K紀錄，這意味著在極端高壓下，氫元素化合物中存在高溫超導可能。

2017年，時任哈佛博士后研究員的迪亞斯（Dias）和哈佛物理教授伊薩克·席爾瓦報告說，他們已經制造出了人們長期以來所追求的氫金屬形式，這種說法一直未被復制，許多業內專家對此持懷疑態度。

但科學家們也在同步研究氫與另一些元素的混合，希望其他元素的原子間的鍵有助于把氫壓縮在一起。

到2018年，德國化學家發現十氫化鑭在壓力170GPa，臨界溫度250K（-23攝氏度）下有超導性出現。2019年，美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯研究組宣布，在190萬個大氣壓下，可以在260K（約-13.15攝氏度）時實現超導電性，成為超導臨界溫度的最高紀錄，而氫化鑭也被視為迄今為止最接近室溫超導的材料方向。

懸而未決的神秘材料

關于這項“首次實現室溫超導”的研究，作者迪亞斯在接受采訪時表示：“這是一份改變游戲規則的論文，在某種程度上奠定了新基調。”

但為了制造這種超導體，科學家們不得不將兩顆鉆石對頂砧間的物質擠壓到每平方英寸近4000萬磅的壓力，將碳和硫按一比一的比例混合，把混合物碾成小顆粒，然后在注入氫元素的同時將這些小球擠壓在兩顆鉆石對頂砧之間，激光照射在化合物上幾個小時，以打破硫原子之間的鍵，從而改變該物質樣品的化學性質和電子特性，由此產生了一種微小晶體，直徑約為30萬分之一米，雖然在低壓下極不穩定，但它是超導的。

這種化合物起超導作用的研究條件極其苛刻，科學家們甚至不清楚他們到底合成了什么化合物，但他們表示正在開發新的工具來弄清楚這種新超導物質的特性，并且樂觀地認為，一旦他們能夠做到這一點，他們將能夠調整組合成分，使化合物即使在較低的壓力下也能保持超導穩定性。

研究人員表示，即使壓力能降低一半，比如100GPa，達到亞穩定狀態，也將使工業化應用成為可能，例如更精確的磁傳感器可用于礦產勘探，也可以用于檢測大腦腦神經元的放電，此外還可以制造新的數據存儲材料。

未來，如果這些材料能從微小的加壓晶體擴大到更大的尺寸，不僅能在室溫下工作，而且能在常規環境壓力下工作，那將是一個更深刻的技術轉變，人類將正式邁入室溫超導時代。

新發現的“神秘”超導材料，溫、壓極限會達到什么程度？在如此高的臨界溫度下實現超導，其工作機理又是什么？真正有趣和重要的問題依舊懸而未決，有待進一步解析。

解析人類第一次“室溫超導”實驗

針對這項超導研究最新進展，中國科學院物理研究所副研究員、科普作家羅會仟介紹了超導研究領域的一些相關趣事和趨勢。

羅會仟表示，很明顯，紀錄是再次刷新了，但其研究思路其實并不具有太多顛覆性，不值得我們太過震驚。

這一類相關研究大概是從2015年就開始了，即上文提到的德國物理學家米哈伊爾·埃雷梅茨研究小組提出的硫化氫材料，約在220萬個大氣壓下，把超導臨界溫度紀錄提升到了203K。

“在高壓下測出來的數據質量通常非常差，首次出現203K的紀錄爭議很大。大家不相信到什么程度？當時我是親身經歷的，那位德國的老教授在一場國際大會上做報告，會場下面約有100多位業內人士，沒有一個人提問，什么意思？大家默認這個結果可能是假的，行業對于這種夸大的假報道已經特別疲勞，甚至懶得問了。”羅會仟回憶道。

但后來經過驗證，2015年德國團隊能實現203K的超導確有其實，在此方向上，2019年美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯進一步在260K實現超導電性。今天這篇刊登在《自然》封面的研究，和此前兩種材料相比很類似，研究思路并沒有太大區別，它唯一的重要性就是把臨界溫度紀錄又提高了。

“大家總會有一種想法，就是我們要去破紀錄。這項實驗需要高達250萬個大氣壓，更高的壓力才能實現更高的超導臨界溫度，區別就是他們在原先氫、硫元素基礎上，又加了碳元素進去，至于形成了什么，現在還不知道。但這篇論文從投稿到接收刊登只用了10天時間，我覺得最主要的原因是其報告中的數據質量非常好。他們同時展示了對全新超導材料電的測量、磁的測量乃至光譜的測量分析，如此高壓下測量這些數據是非常難的，全世界沒幾個團隊能做到，而且他們刷新了一個新紀錄。”羅會仟表示。

20世紀80年代發現的銅氧化物超導體為實現室溫超導帶來了希望，但經過30多年的研究，其在常壓下134K，高壓下164K的臨界溫度很難進一步提高，而且非常規超導機理至今仍不甚明晰。另一方面，根據BCS理論，人們預期如果在高壓下能獲得金屬氫或高度富氫材料可能會實現高溫甚至室溫超導，成為了研究熱門。

其實最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心也有新的相關進展，他們克服了高壓技術難點，通過在70微米的鉆石對頂砧臺面上采用氨硼烷作為氫源，利用激光加熱使其分解產生氫氣并與放置在金剛石對頂砧壓腔內的鑭（La）金屬薄片反應，在165GPa壓力下，得到了臨界溫度為240-250K的近室溫超導材料。

這個實驗不僅成功重復了之前德國和美國研究組發現的氫化鑭高溫超導體，而且還發展了利用金剛石對頂砧開展百萬大氣壓高壓下的原位激光加熱與標準四電極電阻測試技術。

“這個研究方向的競爭是很激烈的。”羅會仟介紹，這類金屬氫或高度富氫材料超導研究的挑戰非常多，要克服的第一關就是元素的結合，比如實驗中提到的碳、氫、硫，氫在常溫常壓下是氣體，要冷卻到很低的溫度變成液體，這種狀態還要裝進樣品里面去，而且金剛石頂砧平臺尺寸是微米量級的，操作精確度和難度可想而知，且稍有不慎氫元素容易造成爆炸，損毀實驗設備。

其次，是合成樣品的過程，這些元素并不是單純的用高壓壓一下就出來了，這個過程又不能直接用火焰什么的加熱，需要用激光透過金剛石折射對樣本進行加熱，在高壓下同步掌控溫度變化進行合成觀察。

第三，合成之后其實還不知道有沒有成功出現超導材料，需要在如此苛刻的條件下進行全面的檢測實驗，以測出數據證明這個材料是合成了，且具備超導體特性。

“盡管失敗率非常高，在這項實驗中，他們最終確實合成了一種不同于以往的新超導材料。這類實驗，包括中國在內，全世界大概只有三、五家實驗室能夠做到。在這條室溫超導材料里面繼續探索，未來有望把壓力逐步降低，最終總有一天，我們有希望在這一類材料里面，利用這個材料本身內部的化學壓力，或者這個材料本身的結構特殊性，就能夠達到室溫下穩定的超導材料，不再需要這么高的壓力條件，那個時候超導研究的歷史性突破就真的實現了。”

羅會仟認為，從實際意義上考慮，我們對于超導材料的研究，并不只局限于提高超導的臨界溫度，這只是一個指標，例如這項實驗中如此高的特定壓力條件，在現實中幾乎是無法使用的。其實過去數十年的研究重點，科學家們最希望找到的是實用化的超導體。

最理想的結果，這個材料在常溫常壓下能用，或者在一定低溫下也無所謂，關鍵是得好用，例如在液氮環境下工作，是可以接受的。而之所以超導材料目前的應用依然十分有限，一個原因是我們光提高這個多少K的超導臨界溫度是不夠的，涉及到產業使用還有很多實際問題，比如要做成電纜線，需要各種彎曲拉伸，或者做成線圈，金屬材料可以隨便用，但高溫超導材料可能折一下就碎了。為了克服這些困難，把超導材料變得好用，以及能夠跟金屬材料復合，物理學家做了很多的事情來提升它的物理特性。

“在超導應用中最貴的部分并不是超導材料本身，而是因為高溫超導材料本身機械性能、力學特性等不太好的地方，我們需要花很大的精力和投入進行彌補，其附屬的材料與合成工藝可能比超導材料本身還要貴，超導僅有一個指標高是遠遠不夠的，這是一項系統性的復雜工程。”羅會仟解釋道。

如果更先進的室溫超導材料得以實現，其對各行業的顛覆性十分值得期待，羅會仟簡要介紹了幾個相關的重要領域。

比如，醫院的核磁共振成像設備，在強磁場下可以實現對大腦中單個神經元級別的超高分辨率;實現無能量損耗的超導輸電和儲能系統;發展能量更高的高能粒子加速器;在移動通訊領域用性能更好的濾波器;促進太赫茲偵測技術發展;研發新一代的超導量子計算機;人們出行能甚至可能乘坐達到600公里以上時速的超導磁懸浮列車。

自1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯用液氦冷卻汞發現超導電性，至今已跨越109年，科學家們為追逐“室溫超導”夢一直孜孜不倦。以今天為起點，下一個百年或許將愈發激動人心。