超導(dǎo)性為我們描繪了這樣一幅美好的繪景：超高效的電動機(jī)、超強(qiáng)力的磁鐵和無損耗電力輸送……然而實(shí)際情況卻是超導(dǎo)材料的制造具有難度大、成本高等特點(diǎn)，它的超導(dǎo)性需要在持續(xù)不斷的低溫液氦浴中才能運(yùn)行。因此，超導(dǎo)性在現(xiàn)實(shí)中的情況與它描述的繪景相差甚遠(yuǎn)。
高溫超導(dǎo)體的進(jìn)展經(jīng)歷了一個漫長的停滯期，幾十年來都沒有出現(xiàn)過什么有力的新競爭者。但是一直以來，研究人員都在為了能更好地理解超導(dǎo)性而不斷努力。現(xiàn)在，這些努力似乎即將得到回報(bào)。
讓我們先將時間退回到幾年前，那時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種高壓形式的硫化氫，它可以在203K（零下70°C）時展現(xiàn)出超導(dǎo)性，這一溫度比以往的任何材料都要高出大約65K。現(xiàn)在，根據(jù)計(jì)算機(jī)建模給出的提示，研究人員發(fā)現(xiàn)一種鑭氫化合物（LaH10）的超導(dǎo)臨界溫度可以達(dá)到250K（大約零下25°C），如果你有一個好的冰箱，就可以達(dá)到這一溫度。
那這是不是說，我們在家里就可以獲得超導(dǎo)了嗎？可惜并不是，LaH10的超導(dǎo)性強(qiáng)烈地依賴于壓力，而且需要將樣品在兩個金剛石之間壓縮。但有證據(jù)表明，我們對超導(dǎo)性的理解確實(shí)是正確的，因此毫無疑問的是，還有更多的化學(xué)物質(zhì)值得我們研究。
良好的振動
雖然我們還沒能完全地理解超導(dǎo)性，但我們已經(jīng)對一些支撐它的物理原理發(fā)展出了堅(jiān)實(shí)的理論理解。由材料產(chǎn)生的高頻晶格振動是一個我們已經(jīng)確定的關(guān)鍵因素。這些晶格振動部分取決于晶體的結(jié)構(gòu)，部分取決于該結(jié)構(gòu)中的原子。越輕的原子更容易振動，因此更容易實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性。
這一特性激發(fā)了我們對硫化氫的探索——材料中的氫能導(dǎo)致超導(dǎo)所需的高頻晶格振動。事實(shí)上，有跡象表明，超導(dǎo)所需要的高壓會迫使硫從晶體結(jié)構(gòu)中分離出來，從而產(chǎn)生一種氫含量更高的化學(xué)物質(zhì)。
類似的基于密度泛函理論的計(jì)算表明，高壓可以產(chǎn)生以釔和鑭等金屬為中心的富氫化合物。氫原子會像一個籠子一樣包圍在這些金屬周圍。計(jì)算結(jié)果表明，這些化學(xué)物質(zhì)可以在更高的溫度下進(jìn)行超導(dǎo)。
早期一些研究測試了金屬（鈣和釔）在與平均6個氫原子復(fù)合后會出現(xiàn)的行為。但有跡象表明，氫的含量還可以更高。去年有報(bào)道稱，科學(xué)家合成了一種氫含量很高的鑭氫化合物——LaH10，發(fā)現(xiàn)了這一化合物的研究人員曾表示，這種超氫化物可以被看作是金屬氫的近距離實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)的研究人員確實(shí)看到了電阻在不同溫度下的一些變化，但并沒能對這些變化進(jìn)行完整描述。因此，一個國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)決定完成這項(xiàng)工作。
高壓
制造這種化學(xué)物質(zhì)本身并不難，只要將鑭金屬置于氫氣環(huán)境中，然后在金剛石砧之間對它進(jìn)行擠壓。在270千兆帕斯卡（約200萬個大氣壓）的壓力下，這些混合物會在金剛石砧之間形成一小塊LaH10。為了測試它的超導(dǎo)性，研究人員在每個金剛石砧上都放置了一根細(xì)微的金屬絲，這樣的話，鑭氫化物就可以在它們之間傳導(dǎo)電流。整個裝置可以被降到非常低的溫度。
在一定的壓力和溫度下，研究人員發(fā)現(xiàn)化合物的電阻急劇地下降到零，也就是說它們開始變成了超導(dǎo)體。在實(shí)驗(yàn)中，可穩(wěn)定觀測到的最高溫度是250K，也就是零下23°C。如果把冰柜的設(shè)置調(diào)到最高，冰柜可能也能達(dá)到這個溫度，而且這是地球極地區(qū)域經(jīng)常有的溫度。它比干冰要暖和得多，也比液氮暖和得多。
在壓力為170千兆帕斯卡時，LaH10的超導(dǎo)臨界溫度到達(dá)峰值，進(jìn)一步增加壓力反而會導(dǎo)致臨界溫度的下降。這表明LaH10的最佳超導(dǎo)性表現(xiàn)對結(jié)構(gòu)非常敏感。
對超導(dǎo)性的測量存在眾多挑戰(zhàn)，其中一個挑戰(zhàn)是那些將電流匯入樣本材料中的導(dǎo)線在這些溫度下并不會發(fā)生超導(dǎo)，所以我們不能直接測量電流的電阻。因此，為了弄清是否真的發(fā)生了超導(dǎo)，研究人員可以對那些能影響超導(dǎo)產(chǎn)生的因素加以檢驗(yàn)。超導(dǎo)體對磁場的存在非常敏感，當(dāng)對LaH10施加磁場時，它的臨界溫度就會下降。
此外，我們之所以會研究這種化合物，首要原因就在于這種化合物中存在大量的非常輕的氫原子。研究人員將氫換成氘（氫的同位素，比氫多一個中子），使它們變得更重。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這樣做也會降低臨界溫度?；谶@些原因，研究人員就可以確切地得出結(jié)論說：在這些條件下，LaH10確實(shí)變成了超導(dǎo)狀態(tài)。
當(dāng)然，在任何我們想要擁有超導(dǎo)體的地方都裝上金剛石砧顯然是不現(xiàn)實(shí)的。但研究結(jié)果卻非常重要。
首先，它們意味著我們至少對超導(dǎo)性的某些方面已有足夠的了解，足以預(yù)測能顯示出這種超導(dǎo)行為的化學(xué)物質(zhì)。雖然由于計(jì)算的強(qiáng)度非常大，我們可能無法對這么多的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行盲選，但它們應(yīng)該能讓我們識別出那些具有前景的化學(xué)物質(zhì)類別。
另外，研究人員計(jì)算出LaH10的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)，或許能使我們確定一些導(dǎo)致了超導(dǎo)行為的關(guān)鍵特征。雖然這種特殊的化學(xué)物質(zhì)可能永遠(yuǎn)也無法成為一種實(shí)用的解決方案，但它卻有可能幫助我們找到一些可能的解決方案。
參考鏈接：
https://arstechnica.com/science/2019/05/superconductivity-reported-at-the-temperature-of-a-good-freezer/
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1201-8
