近年來(lái)，盡管已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」，但國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)的超導(dǎo)科研者往往都持如上態(tài)度。
但如今，這種態(tài)度應(yīng)該要轉(zhuǎn)變了——美國(guó)科學(xué)家們創(chuàng)造了一種氫化物材料，它竟然能在15°C的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電！
在最新一期的《自然》雜志（Nature）封面上，也寫(xiě)著一串激動(dòng)人心的英文單詞：Superconductivityfinallyreachesroomtemperature（室溫下也終于能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性了）。
「室溫超導(dǎo)」有何意義？
首先回答一個(gè)問(wèn)題：15°C的溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，這意味著什么？
實(shí)際上，這是物理領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破！
上述所說(shuō)的超導(dǎo)，是指超級(jí)導(dǎo)電——超導(dǎo)體或超導(dǎo)材料在某一溫度下電阻為零。但嚴(yán)格來(lái)講，只有同時(shí)具有上述零電阻效應(yīng)和完全抗磁性兩種特性的物質(zhì)，才是科學(xué)意義上真正的超導(dǎo)體。
完全抗磁性通俗來(lái)講就是對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象，于1933年由WalterMeissner和RobertOchsenfeld兩位物理學(xué)家對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象在科學(xué)界有個(gè)專業(yè)的名字——邁斯納效應(yīng)（Meissnereffect）。
究其歷史，科學(xué)家們最初發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體是在近一個(gè)世紀(jì)前。
1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯（HeikeKamerlinghOnnes）等人利用液氦，將金和鉑冷卻到了4.3K（-268.85攝氏度）以下，發(fā)現(xiàn)鉑的電阻保持在一個(gè)常數(shù)水平。接著，他們將汞冷卻到4.2K（-268.95攝氏度）以下，發(fā)現(xiàn)其電阻幾乎為零，而這正是物質(zhì)的超導(dǎo)性。
1913年，HeikeKamerlinghOnnes又發(fā)現(xiàn)：錫和鉛也和汞一樣具有超導(dǎo)性。
同年，為表彰其對(duì)低溫物質(zhì)特性的研究，HeikeKamerlinghOnnes獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后世也將他視為是低溫物理學(xué)的奠基人。
根據(jù)上述描述可以看到，“超導(dǎo)”這個(gè)詞出現(xiàn)時(shí)往往伴隨的是一個(gè)特定溫度，而這個(gè)溫度一般都是很低的，比如：
1973年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K（-249.95攝氏度）；
1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種陶瓷性金屬氧化物具有高溫超導(dǎo)性，臨界溫度可達(dá)35K（-238.15攝氏度），由此獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；
1988年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)汞系超導(dǎo)材料的臨界溫度達(dá)135K（-138.15攝氏度）；高壓條件下其臨界溫度將能達(dá)到164K（-109.15攝氏度）；
2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫在極高壓下在203K（-70.15攝氏度）的溫度下會(huì)發(fā)生超導(dǎo)相變，這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是當(dāng)時(shí)已知最高溫度的超導(dǎo)體了。
在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)便是室溫超導(dǎo)，能真正發(fā)現(xiàn)「室溫超導(dǎo)體」的科研團(tuán)隊(duì)可以說(shuō)是諾獎(jiǎng)級(jí)別的人物了。
據(jù)知乎答主“中國(guó)科普博覽”所說(shuō)，近年來(lái)已經(jīng)陸續(xù)有不少科學(xué)家聲稱實(shí)現(xiàn)了「室溫超導(dǎo)體」，但實(shí)際情況都是證據(jù)不足甚至是造假——這些研究中聲稱發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體被科學(xué)界稱為「可疑超導(dǎo)體」（UnidentifidedSuperconductingObjects）。
可見(jiàn)，能在15°C的溫度下發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，絕對(duì)是一大里程碑事件。
首個(gè)室溫超導(dǎo)體
來(lái)具體看看人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)室溫超導(dǎo)體。
這一登上Nature封面的成果，來(lái)自于羅徹斯特大學(xué)（工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系、羅徹斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系）和內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校（化學(xué)與生物化學(xué)系、物理與天文學(xué)系）兩所美國(guó)名校與英特爾公司。
2020年10月14日，論文正式發(fā)表于Nature，題為Room-temperaturesuperconductivityinacarbonaceoussulfurhydride（碳-硫-氫化合物的室溫超導(dǎo)性）。
物理學(xué)界的傳承
早在2015年8月17日，一篇重磅論文發(fā)表于Nature。論文顯示，高壓下，氫和硫的化合物在?70℃時(shí)出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。
3年后，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，氫和鑭的化合物在?13℃時(shí)具有超導(dǎo)性。
可以說(shuō)美國(guó)科學(xué)們此次的研究是這兩大成果的一種「?jìng)鞒小?mdash;—化合物可在高達(dá)287.7±1.2K（約15攝氏度）的溫度下作為超導(dǎo)體運(yùn)行，而這種化合物正是由氫、碳和硫組成。
據(jù)了解，這也是超導(dǎo)性首次出現(xiàn)在由三種元素組成的化合物中。對(duì)此，論文合著者之一、拉斯維加斯內(nèi)華達(dá)大學(xué)物理學(xué)家AshkanSalamat表示：加入第三種元素，極大地拓展了未來(lái)尋找新型超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)的思路。我們開(kāi)辟了一個(gè)全新的探索領(lǐng)域。
不僅如此，這項(xiàng)研究還證實(shí)了康奈爾大學(xué)理論物理學(xué)家NeilAshcroft幾十年前的預(yù)測(cè)：富氫材料可能會(huì)在比我們想象得高得多的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
研究成本不菲
實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)用到了金剛石砧，金剛石砧由一對(duì)金剛石對(duì)頂砧和密封墊組成，二者之間可以產(chǎn)生約為幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓那么大的壓力。
如下圖所示，兩顆尖對(duì)尖的鉆石正是實(shí)驗(yàn)工具。
值得一提的是，研究并不總是一帆風(fēng)順的——該團(tuán)隊(duì)總共用廢了數(shù)十對(duì)價(jià)值3000美元的鉆石。
正如團(tuán)隊(duì)所說(shuō)：鉆石的預(yù)算是我們研究過(guò)程中最大的問(wèn)題。
上述突破性發(fā)現(xiàn)的得來(lái)過(guò)程大致是：
將碳、氫和硫的混合物放入金剛石砧中。
用激光觸發(fā)混合物的化學(xué)反應(yīng)，觀察晶體的形成。
降低溫度，發(fā)現(xiàn)通過(guò)材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經(jīng)具有超導(dǎo)性。
增加壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度越來(lái)越高。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終表明，在達(dá)到267萬(wàn)個(gè)大氣壓（海平面大氣壓的260萬(wàn)倍）時(shí)，化合物在15°C時(shí)的電阻為零。
對(duì)于這一溫度，劍橋大學(xué)材料科學(xué)家ChrisPickard表示，15°C應(yīng)該是一個(gè)較低的房間溫度，也許是維多利亞時(shí)代的一間小屋。
ChrisPickard肯定了這項(xiàng)研究：人們永遠(yuǎn)都在談?wù)撌覝爻瑢?dǎo)，但他們可能并不十分了解，首個(gè)室溫超導(dǎo)體是在如此之高的壓力下發(fā)現(xiàn)的。
神秘的化合物
雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，但研究團(tuán)隊(duì)也認(rèn)為，關(guān)于這種物質(zhì)還有很多未知之謎。而在Nature對(duì)其研究的大篇幅報(bào)道中，也將這種化合物稱為Mysteriousmaterial（神秘物質(zhì)）。
研究人員表示：還有很多事情要做，甚至這種晶體的確切結(jié)構(gòu)和化學(xué)式也尚不清楚。而給的壓力越大，樣本量將越小，這就是我們的測(cè)量過(guò)程真正具有挑戰(zhàn)性的原因。未來(lái)希望制造出無(wú)需高壓且穩(wěn)定的超導(dǎo)體。
對(duì)于這一成就，2015年那篇論文的合著者之一、來(lái)自德國(guó)馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的物理學(xué)家MikhailEremets也表示：這項(xiàng)研究提供了關(guān)于室溫超導(dǎo)的令人信服的證據(jù)，但我還是希望能看到更多的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。
磁懸浮列車、核磁共振、超導(dǎo)電纜、汽車馬達(dá)、量子計(jì)算芯片......成就了一大批理論物理學(xué)家甚至諾獎(jiǎng)得主的超導(dǎo)體在現(xiàn)實(shí)中已有了眾多應(yīng)用場(chǎng)景，但在實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)展卻依舊極其緩慢。或許，這項(xiàng)室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將為物理學(xué)界帶來(lái)新變革。
