超硬材料网

       一项新纪录，轰动整个物理界。
       在15℃温度下，竟然也能观察到超导现象！
       这就是来自罗切斯特大学的最新研究，他们设计出了一种新型氢化物，可以在这般「高温」下，无任何电阻地导电。
       科学家发现，这种由氢-硫-碳组成的材料，在巨大的压力（大约是地球核心的75%）下，室温时就能转变成超导体。

这也是人类发现的第一种室温超导体。
       Nature也以封面的形式对其报道，意义之重，可见一斑。

       西班牙巴斯克大学凝聚态物质理论家 Ion Errea认为：
       这是第一次真正声称发现了室温超导现象。
       剑桥大学的材料科学家Chris Pickard评价道：
       这显然是一个里程碑。

1、首个室温超导体

来自罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起，然后在超高压下让整个混合物重新组合。

他们选择了硫化氢（一种臭鸡蛋气味气体）和甲烷（天然气主要成分），将这两种物质与铂电极一起放在金刚石砧中。

金刚石砧是两个“尖对尖”金刚石，在二者之间可以产生巨大的压力，可以达到几百万个大气压。
       当压力超过4万个大气压时，研究人员用绿色激光照射数小时，破坏硫-硫键，从而形成硫-氢化合物。

       在175万个大气压下，样品冷却至-93°C就会发生超导转变。如果继续增加压力，超导转变的临界温度会不断提高。
       当到达到267万个大气压时，只需把样品降低至15°C，就能看到电阻消失。
       除了电阻为零外，科学家还发现了另一些超导的证据，比如在转变温度下，这种物质屏蔽了磁场，这是超导体一项重要特征。

       为了寻找这种室温超导化合物，他们用废了几十对金刚石砧，每一对的价格3000美元。论文通讯作者Ranga Dias说：“我们研究的最大问题就是金刚石预算。”
       金刚石砧产生的超导材料数量极少，大约是单个喷墨颗粒的大小。而且这种超导材料不够稳定，只要放置过夜就会分解。
       超高压条件以及不稳定的性质，意味着这种室温超导体难以有实际性质，但这却是人类发现的第一种室温超导体，探索超导体100多年的道路上具有里程碑意义。

       2、应用广泛的超导体

       超导体（superconductor），是指在低于某一温度时，电阻为零的导体。
       超导现象是在100多年前，由荷兰物理学家昂内斯发现。他把汞降低到4.2K（约零下269度）时，发现汞的电阻突然消失，因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。
       除了「零电阻」外，它还具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特点。
       完全抗磁性，又称迈斯纳效应，能让超导体内部的磁感应强度为零，及超导体排斥体内的磁场。这种特性最大的用途是用来做磁悬浮。

       磁通量量子化，又叫做约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。
       超导体中的磁通量量子化可以用来制造超导计算机。

除了这些高大上的设备，我们的日常生活也离不开超导体，比如医院里的核磁共振成像，还有手机信号基站也需要超导体来制造滤波器。
       然而，超导体的低温限制，成了它的阻碍它应用的最大局限。

       直到1987年，美籍华裔物理学家朱经武发现了液氮（77K）温区的“高温超导体”钇钡铜氧，才让超导体应用更加广泛。
       但科学家们希望能够找到一种无需冷却，在室温下即可使用的超导体。
       这也正是此次发现能够引起如此反响的原因——是科学家们苦苦探寻了几十年的一种超导体，提高温度意味着不需要复杂的冷却设备。
       要知道，此次的研究要比去年的最新进展足足高出了30多摄氏度。

       除了高温这个局限性外，还有就是高压。
       超导体只能在极高的压力下存活，相当于接近地球中心的压力，相当于马里亚纳海沟压力的40倍。
       因此，也正如研究作者所说，这意味着它不会有任何直接的实际应用。
       尽管如此，物理学家们仍然希望，这个超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路。

3、5年追梦成真

5年前的德国物理学家的发现为找到室温超导体敲开了大门。

要知道为何氢-硫-碳会成为室温超导体，我们先介绍一下超导的原理。
在正常状态下，电子以个体形式运动，碰撞到原子就会产生电阻。
而在超导体中，两个电子会配对形成所谓“库珀对”（Copper pair）。一旦电子结伴，它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体，让电阻彻底消失。
库珀对的形成可以这样通俗理解：
当带正电的原子被电子吸引后，就会聚集起来，这里正电荷多一点，自然会吸引别的电子过来，这两个电子即完成配对。

       显然原子质量越重，就越难被电子吸引，电子也就越难形成库珀对，因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢。
       但问题是，常压下固态氢中没有自由电子。只有高压改变固态氢的结构，让氢释放出电子，才有可能形成库珀对。此时氢变成了一种金属状态——金属氢。

△ 木星内部可能存在金属氢

       1968年，康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测，金属氢在常温下应该是超导体。
然而，要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了，以现有实验室条件难以达到，倒是木星内部有可能满足这样的条件。

△ 科学家用高压制备出金属氢

2017年，哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢，但压力不足以让其变成超导体。Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上，这类化合物获取能在稍低的压力下变成超导体。
       但添加多少比例的氢是个技术活。如果添加太少，化合物就不会像金属氢那样超导。如果添加太多，那么化合物超导所需压力太大，实验室里难以达到。
       终于在2015年，德国科学家Eremets发现，一种氢和硫的化合物在-70℃时转变成超导体。
       2018年，同样是Eremets的团队发现了冰箱温度下的超导体氢化镧，这种物质在-23℃、170万个大气压下变成超导体。

       参考链接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/