神奇的超导——超导体的前世今生

金刚石对顶砧装置（图源：quantamagazine.org）

程江华 编译

2020年10月14日，罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）领导的研究团队利用金刚石对顶砧（diamond anvil cell，DAC），即一种在极高压下检测微量材料的研究装置，将氢、碳和硫结合在一起，以光化学方法合成了含碳的硫化氢系统（carbonaceous sulfur hydride）。相关研究发表在《Nature》。

这种由氢、碳和硫组成的化合物在287.7±1.2K（约15℃）的室温和267±10千兆帕的大气压下表现出了超导性，这也是人类发现的第一个室温超导体。什么是超导体？超导体的发展又经历了什么呢？

罗切斯特大学的超导实验室（图源：nature.com）

什么是超导体？

根据物质的导电性能可以分为导体（Conductor）、半导体（Semiconductor）和绝缘体（Insulator）。导体中有大量可以自由移动的带电粒子，它们可以在电场的作用下作定向运动，形成电流；绝缘体中的电子被束缚在原子周围，不能自由移动；半导体则介于二者之间。

即便是导体，电子在运动的过程中也会与晶格碰撞发生散射，这就是电阻。自然界中有没有电阻为0的物质呢？答案是肯定的。当温度降低到一定程度时，一些物质会进入一种神奇的状态——超导态。

此时电阻会消失，而电子能在其中无阻碍地运动，这种物质就是超导体（superconductor），此时的温度称为超导临界温度。例如，石墨烯薄膜由排列成六边形的单层碳原子构成，它比钢坚固，导电性比铜好。

石墨烯结构（图源：nature.com）

当我们将两层石墨烯薄膜以1.1°的角度分层放置时，它就会表现出超导性。

将两层石墨烯组成的材料以1.1º的角度扭曲（右图）（图源：nature.com）

除了零电阻效应外，超导体还有两个特点：完全抗磁性和磁通量量子化。普通导体处于磁场中时，其体内会产生一个感应磁场。

处于超导态的物质，无论外磁场如何变化，其体内的磁感应强度一定为零，这就是超导体的完全抗磁性，也称迈斯纳效应（Meissner Effect），这种特性最大的用途是用来做磁悬浮。

超多磁悬浮（图源：nature.com）

磁通量量子化又称约瑟夫森效应（Josephson effect），是指当两个超导体距离近至原子尺寸且中间可以视为绝缘层时，超导体中的电子对可以越过绝缘层产生超导电流的现象。

超导体的探索之路

1894年，荷兰莱顿大学实验物理学教授海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）建立了著名的低温研究中心——莱顿实验室。

昂内斯（右一）等人在莱顿实验室（图源：nobelprize.org）

1908年，昂内斯成功将氦气液化，最低温度可达到4.2K左右（约为零下269℃），这也为超导现象的发现提供了有力保证。

昂内斯（左一）等人在莱顿实验室的液态氦前（图源：nobelprize.org）

1911年，昂内斯经过多次实验后发现，当温度降至4.2K以下时，汞的电阻突然消失（即零电阻），这是人类首次发现超导现象。

1913年，昂内斯又发现锡和铅也具有超导性。同年，昂内斯因“对低温下物质性质的研究以及液化氦气”方面的成就获得了诺贝尔物理学奖。

1957年，美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·库伯（Leon Cooper）和约翰·施里弗（John Schrieffer） 从理论角度解释了超导现象。 他们提出的“BCS 理论”表明，在超导体中，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“库珀对”（Cooper pair），电子结伴后会以量子液体的形式无阻碍地运动，形成超导电流。三人也因此于1972年共同获得诺贝尔物理学奖。

从左至右依次为：巴丁、库伯、施里弗（图源：nobelprize.org）

1986年，柏诺兹（J. Bednorz）和缪勒（K. Müller）发现La-Ba-Cu-O化合物（即镧钡铜氧化物）的超导临界温度可以达到35K（约为零下240℃）。这一发现引发了世界范围高温超导研究的热潮。

1987年，美国休斯顿大学的华裔科学家朱经武和吴茂昆获得了临界温度为98K的超导体；短短几天后，中国科学院物理研究所的赵忠贤及其团队获得了临界温度为100K的超导体。超导体临界温度首次进入液氮温区（液氮的沸点为77 K）。

1994年，朱经武研究团队在高压条件下将汞基氧化铜的临界温度提高到了164K（约为零下109℃）。

2004年，康奈尔大学的理论学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）提出将氢与另一种元素结合可能会增加一种“化学预压缩”，从而可以在较低的压力和更高的温度下实现超导性。

2014年，吉林大学的马琰铭研究组预言，H2S 在160万个大气压有80K左右的超导电性。 吉林大学的崔田研究组预言，H2S-H2化合物在高压下可能实现101-204K的高温超导。

次年，这两个预言就得到了验证。德国马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）领导的研究团队在《Nature》上发表文章称，他们发现在155千兆帕的高压下， H 3 S结构（由 H 2 S在压力下分解形成）的超导临界温度是203K（约为零下70℃）。

2019年，埃雷梅茨等研究人员在 250K（约为零下23℃）的温度和170千兆帕的高压下实现了含镧富氢化合物LaH 10的超导性，这项成果与室温超导非常接近。

含镧富氢化合物（图源：nature.com）

如今，人类第一次实现室温超导，虽然这种超导现象只能发生在极高压（267±10千兆帕）条件下，但它对于超导体的研究具有里程碑式的意义。在不久的将来，希望科学家们能够发现在普通环境下稳定或亚稳定的超导材料。

参考文献：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/

https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w

https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achieved

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