超高压下首次实现室温超导——中国团队理论预言富氢材料
高温超导领域实验先行，理论探索仍需努力。
近日，一则关于科学家实现高温超导的新闻刷屏。一个美国研究团队将碳、氢、硫混合材料加压到267 ± 10 GPa时，实现了转变温度高达287．7 ± 1．2 K的超导，也就是15℃，这是迄今为止首个名副其实的室温超导。这个创纪录的成果于2020年10月14日发表在《自然》杂志上［1］。
文章发表仅几个小时之后，就有许多媒体争相刊登新闻报道，其受关注程度近年来少有。引起关注的理由当然就是15℃这个非常友好的温度，似乎未来提到超导的时候，再也不用跟那些冒着白雾的液氮、液氦联系在一起，甚至连氟利昂都可以省略了。
不过温度条件虽然友好，压力条件却并不那么容易达到。267GPa压强相当于标准大气压的260万倍，已经与地球中心压强（370GPa）处在同一量级。我们在老式厨房里见过的那种液化气罐，只能承受这个压强的十万分之一。可以想象，如果我们试图在地球中心开辟家园打造宜居室温环境的话，恐怕仍然需要极端的制冷手段才行。如此看来，这项破纪录的室温超导成就，并没有使超导立刻走向平民化，想在自家车里或者后院直接使用超导技术的梦想还需要再耐心多等一段时间。
图：美国纽约州，罗彻斯特大学超导实验室
当然从理论研究角度看来，这次超导转变温度纪录的刷新，还是一个值得庆贺的成就，毕竟这是人类首次令人信服地在零度以上实现超导。尽管2018年底左右，另一个美国研究团队曾经在实验中也遇到过200GPa压强下的LaH10可能具有280K（即7°C）的接近室温超导，但由于存在一些妨碍实验可重复性的偶然因素，所以最终发表的结论只是260K以上［2］ ，即－13℃。
其实在高温超导的探索过程中，瞬间闪现却又难以复现的情况很常见［3］ 。因为目前对超导的基本原理认识得还不够完整，实验发现一直走在理论前面，很多高温超导现象至今都没有完美的理论解释。所以实验物理学家在寻找超导材料以及设定实验条件的时候，主要凭借经验甚至直觉来摸索猜测。这也正是阻碍高温超导研究的主要困难所在。
虽然早在1911年人们就发现了低温下水银的超导现象，但直到1957年BCS理论的提出，才算得上第一个超导理论模型的确立。这个后来荣获诺奖的理论，其要义就是用玻色－爱因斯坦凝聚来解释超导现象。用中学物理的语言来说，粒子在低温下波粒二象性中的波动性凸显而粒子性削弱，当温度足够低时，所有粒子都化为同一个最低频率的波，这就是玻色－爱因斯坦凝聚。有限空间里最低频率的波，其波长已然贯及整个系统，所以自然就不存在任何穿行阻碍。
不过玻色－爱因斯坦凝聚只会发生在玻色子系统，而承载电流的电子是费米子，BCS理论提出电子可以两两成对拼在一起形成“库珀对”，每个“库珀对”就具有了玻色子特性，在低温下可以发生玻色－爱因斯坦凝聚。
从BCS理论可以看出，超导只可能出现在足够低温的条件下。事实上直到1986年镧钡铜氧超导材料被发现之前，研究者们一直认为超导转变温度不可能超过30K。而镧钡铜氧的35K转变温度，正式宣告了高温超导探索之路的启程，发现者来自瑞士IBM研究实验室的德国物理学家贝德诺尔茨（Johannes Bednorz）和瑞士物理学家缪勒（K． Alex Müller）因此斩获1987年的“炸药奖”。
虽然缺乏理论支撑，但善于摸索的研究者很快发现如果将镧替换成钇，转变温度会大幅提升至90K左右，超过了液氮的沸点。与以往依靠液氦冷却相比，只需要液氮冷却使超导的成本大幅降低。于是，钇钡铜氧这一族系的超导材料研究，在当时掀起一股研究热潮。1993年时最高达到了标准大气压下138K的纪录。
在相当一段时间内，钇钡铜氧族系几乎成了高温超导的代名词。直到2008年，日本研究者率先发现了以铁元素为主要成分的超导材料，并很快探索到了55K的转变温度，此时人们才意识到高温超导现象竟然在性质迥异的不同材料中如此广泛的存在。常温下表现为绝缘体和普通导体的材料，都有可能在低温下超导。另外，纳米碳管和石墨烯等超导材料的出现，也使蒙在超导现象之上的面纱变得越来越神秘，逼得理论研究者甚至开始动用Ads／CFT对偶这样的理论工具来尝试解释［4］ 。
但是毕竟没有可行的理论指导，常压下继续摸索提高转变温度的努力变得越来越困难。要想继续提高温度，最容易想到的办法就是增加压强。压强等于能量密度，而温度则对应其中动能的密度。所以，高压常温也好，常压低温也罢，都是尽量消除动能在总能量中的占比，某种意义上说具有相同的性质。虽然这条路径似乎有“靠篡改单位制来提高读数”的嫌疑，但即使抛开温度结论的公平性和可比性，这类研究本身确实可以从另一个之前被忽略的角度继续探索超导现象背后的物理实质。
2014年，我国吉林大学的马琰铭研究组首次预言H2S在160 万个大气压有80K左右的超导电性，吉林大学的另一团队崔田研究组预言H2S－H2化合物在高压下可能实现101－204K的高温超导［5］。 次年一个德国团队就通过实验验证了这两个预言，在150GPa压强下，发现了硫化氢的超导转变温度可以达到203K［6］ 。随后一些研究者对这个新的族系和方向进行了跟进研究，并在当时就认为这一成绩仍有很大的进步空间。在富氢材料方面我国的研究者成果颇丰，预言了更多在高温高压条件下氢化物超导的存在，例如CaH6、GaH3、SnH4、Si2H6、PH3等。2015年北京理工大学姚裕贵研究组通过第一原理证明用少量磷取代部分硫原子，完全可以实现250GPa下280K的目标［7］。
此后的一系列实验果然见证了快速提升的转变温度，直到最近前文提到的2019年那次200GPa压强下260～280K超导的镧化氢，以及刚刚发表的267GPa压强下288K超导的碳氢硫混合物。
值得一提的是，这些欧洲、美国和澳洲实验团队取得的成果，大部分都源发自中国研究团队的理论预言，我国在超导领域的研究一直处于比较领先的水平。这种优势早在90年代主流研究常压下钇钡铜氧族系时就已经打下基础，现在高压室温超导的研究中则在进一步巩固增强。
转载自：维科网.新材料
