這個(gè)室溫超導(dǎo)研究，要么是驚天烏龍，要么將改變世界 世界快消息

在美國物理學(xué)會(huì)（APS）3月年會(huì)上，羅切斯特大學(xué)的拉甘?迪亞斯（Ragan P. Dias）團(tuán)隊(duì)扔下一枚“重磅炸彈”，宣稱在1GPa（約等于1萬個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)下，镥-氮-氫體系材料中實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。

相關(guān)論文今天（3月9日）凌晨正式發(fā)表在《自然》雜志上。

此消息一出，瞬間成為了科研圈和媒體圈的熱門話題。不過，看到這里的你，可能會(huì)有很多問題：超導(dǎo)是什么？室溫超導(dǎo)又是什么？為什么這么多人都在關(guān)注這項(xiàng)研究成果？

(資料圖片僅供參考)

太長不看版

超導(dǎo)是材料在一定溫度下電阻變?yōu)?的物理現(xiàn)象；

超導(dǎo)體的應(yīng)用有望為科技帶來巨大變革，但苦于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度過低，應(yīng)用受限；

室溫條件下的超導(dǎo)體是超導(dǎo)研究人員的終極夢(mèng)想；

但研究作者此前有類似論文曾被撤稿，對(duì)于此次公布的室溫超導(dǎo)結(jié)果需保持謹(jǐn)慎，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

超導(dǎo)是什么？

物理上，超導(dǎo)（superconductivity）是材料在低于一定溫度時(shí)電阻變?yōu)?的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變后的材料稱為超導(dǎo)體（superconductor）。

中學(xué)課本里提到過，在一個(gè)電路中，導(dǎo)線里的電荷在電壓驅(qū)動(dòng)下會(huì)像跑步運(yùn)動(dòng)員一樣運(yùn)動(dòng)，從而形成電流，但經(jīng)過導(dǎo)體的電阻會(huì)阻礙它們的運(yùn)動(dòng)。

如果電路由超導(dǎo)體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會(huì)一直流動(dòng)下去。在一個(gè)超導(dǎo)鉛制成的環(huán)路中，可以連續(xù)幾個(gè)月都觀測(cè)不到電流有減弱的跡象。

超導(dǎo)現(xiàn)象由昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn) | 諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

超導(dǎo)現(xiàn)象最早由荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)。

1911年，他用液氦將水銀的溫度降低到4.2K（約為-269℃）附近時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)水銀的電阻突然消失了。后續(xù)人們發(fā)現(xiàn)鉛、鈮等元素也有類似的電阻突變?yōu)?的性質(zhì)。

昂內(nèi)斯因液氦的制備和超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這里的K念作開爾文，和攝氏度一樣，也是溫度的一種計(jì)量單位。數(shù)值上，它只需要減去273.15就是攝氏溫度。比如說，4.2K就是-268.95℃。絕對(duì)零度指的是0 K，相當(dāng)于-273.15℃。

除了電阻為0以外，超導(dǎo)體還有另一個(gè)奇特的性質(zhì)，稱為完全抗磁性。

1933年，德國物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納（Walther Mei?ner）和羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)，材料轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體后，就好像武僧穿上了金鐘罩，體內(nèi)的磁場(chǎng)會(huì)全部排斥在外。

這個(gè)現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應(yīng)。

根據(jù)超導(dǎo)體的完全抗磁性，可以做個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在超導(dǎo)體的正下方放置一個(gè)磁體，磁體在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，而超導(dǎo)體的內(nèi)部不允許磁場(chǎng)存在，從而產(chǎn)生相反磁場(chǎng)，與磁體互相排斥。

如果排斥力和超導(dǎo)體的重力相平衡，就能讓超導(dǎo)體懸浮在半空中，仿佛科幻小說中的場(chǎng)景。

電影《阿凡達(dá)》里的哈里路亞山，按照設(shè)定，便是超導(dǎo)礦物在磁場(chǎng)中懸浮的結(jié)果 | 《阿凡達(dá)》劇照

后來物理學(xué)家總結(jié)，要看一個(gè)材料是不是超導(dǎo)體，就看它是否同時(shí)具有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的特征，兩者缺一不可。

因?yàn)樽陨硖厥獾男再|(zhì)，超導(dǎo)體引發(fā)了人們對(duì)它未來應(yīng)用的無限遐想。比如：

零電阻的電路幾乎沒有熱損耗，使用超導(dǎo)體材料進(jìn)行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費(fèi)，提高能源利用效率；

超導(dǎo)線運(yùn)用于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)能大幅提高電流強(qiáng)度和輸出功率；

超導(dǎo)體制作超大規(guī)模集成電路的連線，能解決散熱問題，提高運(yùn)算速度；

超導(dǎo)體的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，有可能為科學(xué)技術(shù)帶來巨大而深刻的變革。

超導(dǎo)體進(jìn)行長距離大容量輸電，能極大少減少能量浪費(fèi) | instituteforenergyresearch.org

可惜，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。直到目前為止，超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導(dǎo)量子干涉儀等特定情境中。在電力工程方面，尤其是被寄予厚望的超導(dǎo)線長距離輸電，大范圍應(yīng)用仍然遙遙無期。

是什么限制了超導(dǎo)體的大范圍應(yīng)用？根本原因只有一個(gè)：溫度。

尋找高溫超導(dǎo)體

材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的溫度被稱為超導(dǎo)臨界溫度（Tc），低于這個(gè)Tc，超導(dǎo)體才能保持自身的超導(dǎo)性質(zhì)。

然而，絕大多數(shù)材料的Tc都非常低，基本都在50K（也就是大約-220℃）以下，需要借助液氮或液氦等維持低溫環(huán)境。

想象一下，辛辛苦苦建造一條幾百公里的超導(dǎo)輸電線，還需要全程浸泡在液氮中冷卻，成本得多么夸張！

所以為了讓超導(dǎo)體得到更廣泛的應(yīng)用，必須要找到Tc更高、最好是室溫條件下（大約300K左右）也能保持超導(dǎo)性質(zhì)的材料。

從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開始，物理學(xué)家對(duì)高Tc超導(dǎo)體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。

在最開始的70多年內(nèi)，Tc的上限連突破30K都很困難，甚至有理論提出超導(dǎo)體的Tc不可能超過40K，給大家潑了好大一盆冷水。

柏諾茲（右）和繆勒（左）因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體的發(fā)現(xiàn)而獲得1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) | Keystone / Str

直到1989年，IBM公司的工程師約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨（Johannes Bednorz）和卡爾·繆勒（Karl Müller）在鑭-鋇-銅-氧體系中提出可能存在35K的超導(dǎo)電性，其他研究團(tuán)隊(duì)在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種銅氧體系的Tc竟然最高能達(dá)到138K（HBCCO），一下子把記錄提高了超過100K！

物理學(xué)家將這類銅氧化物超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)體，柏諾茲和繆勒也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

雖然名為高溫超導(dǎo)體，但也只是相對(duì)于先前40K的低溫而言的，銅氧化物的Tc和物理學(xué)家的最終目標(biāo)還有一定距離。

高壓物理學(xué)家埃雷米茨刷新了超導(dǎo)臨界溫度的最高記錄 | MPIC, Carsten Costard

又一項(xiàng)重要突破發(fā)生在2015年，德國物理學(xué)家米哈伊爾·埃雷米茨（Mikhail Eremets）發(fā)現(xiàn)硫化氫在150萬個(gè)大氣壓的極高壓力下，Tc能達(dá)到203K，刷新了超導(dǎo)臨界溫度的最高記錄。

雖然這種在超高壓下的超導(dǎo)體缺乏實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，但仍然是令人激動(dòng)的溫度突破。

說到這里，這次扔下室溫超導(dǎo)“重磅炸彈”的拉甘?迪亞斯就要登場(chǎng)了。

充滿疑點(diǎn)的室溫超導(dǎo)

2020年，迪亞斯在《自然》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于室溫超導(dǎo)的論文，引發(fā)巨大轟動(dòng)。

迪亞斯的實(shí)驗(yàn)方式主要是對(duì)碳、硫、氫氣混合形成的材料用激光照射和金剛石擠壓，發(fā)現(xiàn)材料在極高壓下能達(dá)到287.7K的臨界溫度。這是首次有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Tc達(dá)到室溫，瞬間在全世界的科研圈和媒體圈中引發(fā)了轟動(dòng)。一時(shí)間，似乎室溫超導(dǎo)這一終極夢(mèng)想距離現(xiàn)實(shí)已近在咫尺。

這樣的實(shí)驗(yàn)需要使用激光照射和金剛石擠壓，以達(dá)到極高的壓強(qiáng) | J. Adam Fenster / University of Rochester

然而，眾人的熱情很快被質(zhì)疑聲澆滅。迪亞斯的這篇論文發(fā)表后，眾多學(xué)術(shù)界大牛對(duì)他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示懷疑，比如說像磁化率的原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理缺乏依據(jù)，之前做出硫化氫超導(dǎo)的埃雷米茨嘗試了6次也沒能復(fù)現(xiàn)出迪亞斯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

兩年后的2022年，盡管迪亞斯團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果不存在問題，那篇論文仍然在質(zhì)疑聲中被《自然》雜志撤稿。

投下室溫超導(dǎo)“重磅炸彈”的拉甘?迪亞斯 | 羅切斯特大學(xué)

就在人們以為迪亞斯的“室溫超導(dǎo)”要以一場(chǎng)鬧劇收?qǐng)鰰r(shí)，沒想到他在昨天（3月8日）的美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上又扔下了一枚“重磅炸彈”。這次他聲稱，發(fā)現(xiàn)镥-氮-氫體系的材料在1GPa的壓強(qiáng)下同樣實(shí)現(xiàn)了約21℃的超導(dǎo)。

相比那篇被撤稿的論文，這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的壓強(qiáng)條件直接從267GPa大幅降低到了1GPa。雖然1GPa仍然是現(xiàn)實(shí)情境中難以實(shí)現(xiàn)的壓強(qiáng)，但如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到證實(shí)，那也是為室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)邁出了一大步。

與2020年一樣，這次迪亞斯的論文同樣被《自然》雜志接收并發(fā)表，也已經(jīng)有學(xué)者再次對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑。

迪亞斯的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果究竟是超導(dǎo)物理研究的重要里程碑，還是又一場(chǎng)學(xué)術(shù)界的鬧劇，還有待科學(xué)家進(jìn)一步研究和討論。

作為看熱鬧不怕事大的旁觀者，對(duì)此恐怕還是保持觀望態(tài)度為好。

關(guān)于這次超導(dǎo)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，我們也聯(lián)系了幾位相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者，他們與我們分享了大家關(guān)心的幾個(gè)常見問題。

問：相比上一次該團(tuán)隊(duì)發(fā)布后被撤稿的研究而言，這次室溫超導(dǎo)的研究有什么新的亮點(diǎn)？

劉寒雨教授，吉林大學(xué)物理學(xué)院，研究方向：極端條件下的材料、高壓下的氫和氦化合物、新型超導(dǎo)材料的計(jì)算設(shè)計(jì)

上次撤稿的nature文章里報(bào)道的是在極端高壓強(qiáng)下（大于100萬大氣壓強(qiáng)）的室溫超導(dǎo)電性，而本次工作中報(bào)道的是1萬大氣壓強(qiáng)下的室溫超導(dǎo)電性。壓強(qiáng)很低，可以做更多表征證明它的超導(dǎo)電性。

學(xué)者A，專業(yè)領(lǐng)域：凝聚態(tài)物理、材料領(lǐng)域

上一個(gè)C-S-H的工作是在百萬大氣壓以上的壓力下合成并測(cè)量的，金剛石臺(tái)面及樣品只有微米級(jí)，相關(guān)的測(cè)量非常有難度，也容易引入各種不確定的實(shí)驗(yàn)失誤。

這次Lu-N-H的工作是在近常壓下完成了，金剛石臺(tái)面及樣品可達(dá)到幾十甚至百微米以上，相關(guān)的物理量測(cè)試的精度會(huì)更高，準(zhǔn)確性會(huì)更強(qiáng)。

這個(gè)工作（如果后續(xù)證實(shí)是對(duì)的），解決了富氫化合物（近）室溫超導(dǎo)所需要的極為苛刻的超高壓條件（百萬大氣壓以上），極大的推動(dòng)了這一體系真正在常壓下實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的進(jìn)程。

學(xué)者B，專業(yè)領(lǐng)域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究

首先壓力更低了，僅有1萬大氣壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上次室溫超導(dǎo)所需的267萬大氣壓，這樣的實(shí)驗(yàn)條件，廣大的實(shí)驗(yàn)同行很快就可以跟進(jìn)，使得這一次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證遠(yuǎn)比上一次容易。其次文章中給出的主觀數(shù)據(jù)非常充分，包括電阻，磁化率測(cè)量，熱容測(cè)量，XRD測(cè)量還結(jié)合了理論計(jì)算。綜上所述，如果數(shù)據(jù)可靠的話，將是一個(gè)重大突破。

問：從目前的論文來看，這個(gè)研究靠譜嗎？

劉寒雨教授

目前而言，文章的圖和數(shù)據(jù)看起來，超導(dǎo)電性比較清晰。但是仍需第三方獨(dú)立證實(shí)。對(duì)媒體上廣泛報(bào)道的所謂發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體的表述，現(xiàn)在還需要謹(jǐn)慎樂觀。

學(xué)者A，專業(yè)領(lǐng)域：凝聚態(tài)物理、材料領(lǐng)域

目前，文章展示了超導(dǎo)行為表征所需的零電阻數(shù)據(jù)以及抗磁數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)于比熱及結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了相應(yīng)的表征，作者基本上做了高壓下能夠進(jìn)行的除了紅外光譜外的大多數(shù)關(guān)于超導(dǎo)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)表征，數(shù)據(jù)質(zhì)量很高，讓人很難駁斥。但文章中依然有一些難以理解的點(diǎn)，比如：

1） 作者利用金屬Lu與氫氣及氮?dú)獾幕旌衔镌?5°C左右合成樣品。以我們團(tuán)隊(duì)合成氮化物及氫化物的經(jīng)驗(yàn)來說，氮-氮三鍵打開并參與化學(xué)反應(yīng)是非常困難的，通常需要極高的溫度（如2500-3000K以上）并利用激光加熱實(shí)現(xiàn)。65°C就能夠?qū)⒌獡饺氲骄Ц裰形覀兪呛茈y理解的。

2） 以往合成的富氫超導(dǎo)材料通常為黑色，如果表面比較光滑，利用反射光顯微鏡成像能看到金屬光澤，但是作者報(bào)道的Lu-N-H體系在較低的壓強(qiáng)范圍下顏色變化非常大，與以往無機(jī)物的經(jīng)驗(yàn)不是非常符合。

因此，盡管該工作已經(jīng)提供了較為完善的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，還需要其余的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)。

學(xué)者B，專業(yè)領(lǐng)域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究

文章中給出的數(shù)據(jù)從主觀上看非常充分，但是磁學(xué)噪音比較小，樣品過于均勻，顏色隨壓力變化極其敏感，整體上來看不同以往的氫化物，所以還是需要更多課題組去實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

問：如果這個(gè)新發(fā)現(xiàn)靠譜，離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？在應(yīng)用上有什么關(guān)鍵性的問題需要解決？

劉寒雨教授

如果靠譜的話，由于其壓強(qiáng)已經(jīng)到了1萬大氣壓強(qiáng)了，已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?，?duì)于科學(xué)研究還是很重要的。但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，比如超導(dǎo)電纜等，仍需要在常壓下獲得室溫超導(dǎo)材料。

實(shí)際我們也對(duì)這三個(gè)元素的組合材料做了大量的預(yù)測(cè)，但仍未發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。從理論上講，氫化物超導(dǎo)的機(jī)制是需要?dú)浔壤浅８叩?，而高氫比例需要高的壓?qiáng)，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)工作的壓強(qiáng)較低，所以從理論上講，很難預(yù)測(cè)出高氫比例的氫化物。綜上所述，我對(duì)于預(yù)測(cè)出這三個(gè)元素的高超導(dǎo)結(jié)構(gòu)不樂觀。

學(xué)者A，專業(yè)領(lǐng)域：凝聚態(tài)物理、材料領(lǐng)域

如果這個(gè)研究是正確的，那么室溫超導(dǎo)的應(yīng)用將不是夢(mèng)想。但是其室溫超導(dǎo)的壓力依然需要1萬大氣壓左右，雖然與以往氫化物的百萬大氣壓的穩(wěn)定壓力相比已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，但是依然離常壓環(huán)境有較大差距，還需要科學(xué)家進(jìn)一步的研究將壓力降至常壓環(huán)境。另外，如果未來的產(chǎn)品依然需要幾千大氣壓的氫氣合成，那么也是不可取的。在幾千大氣壓條件下，氫氣的爆點(diǎn)極低，些許擾動(dòng)如撞擊或火花即可引爆腔體造成事故。另外，氫氣分子也非常的小，且具有氫脆效應(yīng)，它能夠腐蝕一般的金屬，因此在存儲(chǔ)和運(yùn)輸上的也具有非常大的挑戰(zhàn)。另外，這種富氫材料通常為粉體，能否制成具有應(yīng)用價(jià)值的薄膜、線材或者體材料依然需要人們?nèi)プ鲞M(jìn)一步的探索。

學(xué)者B，專業(yè)領(lǐng)域：高壓極端條件下凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究

如果這個(gè)新發(fā)現(xiàn)靠譜，需要從金剛石對(duì)頂砧實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)戰(zhàn)到大壓機(jī)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)過程可能需要好幾年時(shí)間，再到實(shí)際應(yīng)用還需要更多時(shí)間，但是目前的工作重心還是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

參考文獻(xiàn)

[1]Dasenbrock-Gammon, N., Snider, E., McBride, R. et al. Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 615, 244–250 (2023).

[2]Blundell S J. Superconductivity: a very short introduction[M]. OUP Oxford, 2009.

[3]羅會(huì)仟.鐵基超導(dǎo)的前世今生[J].物理,2014,43(07):430-438.

[4]https://phys.org/news/2023-03-viable-superconducting-material-temperature-pressure.html

[5]Tinkham M. Introduction to superconductivity[M]. Courier Corporation, 2004.

[6]Ray P J. Structural Investigation of La (2-x) Sr (x) CuO (4+ y): Following a Staging as a Function of Temperature[M]. Niels Bohr Institute, Copenhagen University, 2015.

作者：中子星

編輯：Steed、Owl

鳴謝：中國科學(xué)院物理研究所 羅會(huì)仟研究員

封面圖來源：J. Adam Fenster / University of Rochester

一個(gè)AI

物理學(xué)這是又要不存在了嗎？

關(guān)鍵詞：