原文作者：James J. Hamlin
科學(xué)家們尋找室溫下的超導(dǎo)材料——可以無損傳輸電能的材料——已經(jīng)有一個世紀(jì)了。現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了比以往更高溫度下的超導(dǎo)。
超導(dǎo)體材料可以以100%的效率傳輸電能。它們有很多應(yīng)用，例如醫(yī)院里的核磁共振。但是，這些應(yīng)用都不太順利，很大程度上是因?yàn)槌瑢?dǎo)狀態(tài)只會存在于遠(yuǎn)低于室溫（295K）的溫度下。德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的Drozdov等人在《自然》上發(fā)文報(bào)告了幾個關(guān)鍵結(jié)果，證實(shí)了氫化鑭受到地球大氣一百萬倍的壓力壓縮時，可以在250K達(dá)到超導(dǎo)——高于目前已知的所有材料的超導(dǎo)溫度。
超導(dǎo)最早是1911年在溫度降到4K以下的汞中發(fā)現(xiàn)的。使材料出現(xiàn)超導(dǎo)性的最高溫度被稱為臨界溫度。很快人們就意識到，如果能找到臨界溫度遠(yuǎn)高于4K的材料，那么能展現(xiàn)出零電阻的物質(zhì)狀態(tài)會非常有用。過去一百年來，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的超導(dǎo)材料，臨界溫度的最高紀(jì)錄也被不時地刷新，向著室溫這個終極目標(biāo)發(fā)展。
上述文章的其中幾位作者和同事們于2014年打破了之前164K的記錄。他們發(fā)現(xiàn)硫化氫——會產(chǎn)生臭雞蛋氣味的化學(xué)物質(zhì)——可以在200K左右的溫度變成超導(dǎo)體，前提是使用近200萬倍大氣壓進(jìn)行壓縮。之后，2018年兩個互相獨(dú)立的研究組幾乎同時報(bào)告，壓縮的氫化鑭可能可以在更高的溫度下展現(xiàn)出超導(dǎo)性，范圍從215K開始，最高可能達(dá)到280K。
這些硫化氫和氫化鑭超導(dǎo)材料的共通特性是，它們富含氫元素，并且超導(dǎo)性只在約100萬倍大氣壓以上的高壓下才會發(fā)生。在這些極端條件下，化學(xué)鍵會被大幅改變，形成其他條件下不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。對于氫化鑭來說，高壓似乎會讓其中一種化合物L(fēng)aH10的結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，它含有的氫比常壓下能達(dá)到的比例更高。
Drozdov等人使用金剛石對頂砧達(dá)到了這種異常高壓（約為地心壓力的一半）。金剛石對頂砧可以用一只手握住。材料用薄金屬箔包住，壓在兩片磨平的金剛石之間（見圖1）。這種設(shè)置嚴(yán)重限制了實(shí)際測量，因?yàn)闃悠诽×耍ㄖ挥?.01毫米尺度），并且四周還有尺寸大得多的金屬箔和金剛石。更重要的是，為了進(jìn)行電學(xué)測量，引腳必須和樣品接觸，同時還要和金屬箔保持絕緣。
圖1 | 檢測高溫超導(dǎo)。Drozdov等人在文章（Drozdov, A. P. et al. Nature 569, 528–531 (2019).）中描述了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將少量鑭樣本用薄金屬箔包住，放進(jìn)一個充滿了液態(tài)氫（圖中未畫出）的腔內(nèi)。四個引腳和樣品接觸，但是用絕緣材料和金屬箔保持絕緣。樣品被兩片金剛石擠壓，在高壓下轉(zhuǎn)化成氫化鑭。作者用這種裝置證明了氫化鑭在250K的溫度、100多萬倍大氣壓下會產(chǎn)生超導(dǎo)。
作者克服了這些實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)，獲得了至關(guān)重要的證據(jù)來證明氫化鑭的高溫超導(dǎo)性。為了證明某種材料確實(shí)具有超導(dǎo)性，科學(xué)家通常會驗(yàn)證三種特征：零電阻，有磁場的時候臨界溫度會降低，以及降溫時材料內(nèi)部會排斥磁場（這被稱為邁斯納效應(yīng)）。Drozdov等人檢測到了前兩項(xiàng)超導(dǎo)特性。最后一項(xiàng)——邁斯納效應(yīng)——因?yàn)闃悠诽?，目前無法觀察到。
在富氫化合物中尋找高溫超導(dǎo)材料可以追溯到2004年的一些預(yù)測。這些預(yù)測背后的理論認(rèn)為，在某些條件下，原子質(zhì)量低的元素有助于提高臨界溫度。氫是最輕的元素，因此對于高臨界溫度是最佳的。因?yàn)橥瑯拥倪壿?，將氫換成更重的同位素氘應(yīng)會讓臨界溫度降低。Drozdov等人觀察到了同位素的這種效果，并發(fā)現(xiàn)氘化鑭和氫化鑭相比，臨界溫度的減少值和理論預(yù)測出的幾乎完全一樣。
從科學(xué)的角度說，這些結(jié)果意味著我們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料的模式或許將迎來轉(zhuǎn)變，從利用實(shí)踐規(guī)律、直覺或運(yùn)氣，變成有切實(shí)的理論預(yù)測作為指導(dǎo)。超導(dǎo)的臨界溫度一直被認(rèn)為是最難準(zhǔn)確計(jì)算的性質(zhì)之一。但是硫化氫和氫化鑭的實(shí)驗(yàn)都是受到了計(jì)算結(jié)果的啟發(fā)，計(jì)算預(yù)測出了所需的壓力和最終的臨界溫度。這些優(yōu)秀的理論成果是由創(chuàng)新性的計(jì)算方法驅(qū)動的，而這又是由于計(jì)算力的進(jìn)步才得以實(shí)現(xiàn)的。
在100多萬倍大氣壓下才能獲得的微量超導(dǎo)材料有什么實(shí)際意義呢？答案取決于是否可以在常壓下恢復(fù)超導(dǎo)性質(zhì)。金剛石本身就是高壓下產(chǎn)生而常壓下能穩(wěn)定存在的亞穩(wěn)態(tài)材料。制造合成金剛石為發(fā)展高壓技術(shù)提供了強(qiáng)大的動力。但是現(xiàn)在合成金剛石可以在低壓下使用化學(xué)氣相沉積法制成。理想情況下，最早在高壓下發(fā)現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)化合物之后也可能可以采用類似的低壓制備法。
在接下來的幾年里，科學(xué)實(shí)驗(yàn)可能會注重于尋找高壓下的其他富氫超導(dǎo)材料。由于目前在極端高壓下只實(shí)驗(yàn)過一小部分可能的富氫系統(tǒng)，室溫超導(dǎo)的夢想或許很快就能成為現(xiàn)實(shí)。到那個時候，終極目標(biāo)就會從提高臨界溫度變成降低所需壓力了。
