“室温超导”爆了！刚刚，中科院物理所火线发文！复旦教授：成果若证实，是诺奖级别！

　　来源：上海证券报

　　北京时间3月8日，由美国罗切斯特大学科学家Ranga Dias领衔的团队在美国物理学会3月会议上宣布，该团队研发的超导体（由氢、氮和镥组成的材料）在近环境压强（1Gpa，一万个大气压）下实现了室温超导。由于这一发现可能颠覆多个传统行业，给人类科学文明带来巨大改变，一时间全球科技圈为之震动。

　　有消息称，上述成果发布时，所在的会议室越来越拥挤，直至保安出于安全考虑在门口拦人，多位物理界人士也都被堵在门口不让进。

　　今日，中科院物理所在其微信公众号上也发表了文章，科普了关于室温超导的知识。

　　与此同时，A股投资圈的小伙伴们也连夜学习和重温基础物理知识，并在各个群展开热烈讨论。然而，9日上午交易时间，西部超导、联创光电、中超控股等“超导概念股”却高开低走。

　　应用表面物理国家重点实验室常务副主任，复旦大学物理系教授李世燕在接受上海证券报记者采访时表示，该发现还有待证实。如果被证实，由于其所需压力也不算高（此次的合成和测试条件跟之前相比已经宽松很多），这将是诺贝尔奖级别的成果。从应用场景来看，虽然是室温超导，但是因为需要上万个大气压，其应用的场景会极为有限。目前最重要的还是其他研究组来证实该发现。

　　室温超导意味着什么？先要从超导体说起。

　　几乎所有导体都存在电阻，而电阻的存在会耗费局部电能，以热的方式散失。这使得从日常小电器到特高压电线，无不存在电能损耗。

　　超导体却意味着一种不存在电阻的状态。没有电阻就不会产生焦耳热，因此超导体可以应用于大规模集成电路，制备超导计算机；能够承载较大电流而不会有电流损耗，取代现有的高压输电线、制造超导电机等。

　　超导体还具有完全抗磁性和约瑟夫森效应两个特征。磁悬浮列车就应用了完全抗磁性原理，列车和轨道上装备的超导磁体使列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向，可以使列车保持向前运动。利用约瑟夫森效应，可以制作超导量子干涉仪，用于测量非常微小的磁信号。

　　早在1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。但至今，超导材料都未获大规模应用，极端温度始终是材料进入超导状态的必备条件。

　　室温超导如果能实现，无疑会带来巨大突破。但早在2020年，Ranga Dias团队就石破天惊地宣布，研发出一种新型含碳的硫化氢材料，可在室温下实现超导。但这种新材料提出了另一极端条件——267GPa（267万个大气压）的高压。如此高压的实现难度和成本，都远超极端温度。

　　更具乌龙色彩的是，上述研究成果当年曾登上《自然》封面，最终却以撤稿结束。

　　而今，Ranga Dias团队研发的最新材料仅需1Gpa的压强即可实现常温超导。那么，这一压强数值究竟有没有实用意义？

　　有人认为，这种压强要求仍不可能做成实用化导线，实现零下200度比实现1Gpa压强更容易且更经济，因此室温超导技术目前并没有产业化应用价值。有说法称，依靠普通等静压机完全可以实现1Gpa环境，超导商用已经在朝我们招手。

　　3月8日的《自然》网站上，再次登出这一研究。但无论如何，1Gpa的室温超导也同样有待其他物理学家验证。甚至由于撤稿前科，这一研究成果将面临更严格的审查。

　　北京时间3月9日凌晨，该研究的主要作者及论文主讲人、罗彻斯特大学机械工程系和物理与天文系助理教授Ranga Dias通过邮件表示，他对其团队此次的全新发现充满信心，他认为这将是一项重塑21世纪的革命性技术。

　　不过他同时还指出，“要将我们对室温超导新材料的发现应用到任何规模的现实世界中，还需要几年的艰苦工作。”

　　李世燕教授在接受上海证券报记者采访时表示，该发现还有待证实，特别是该论文的作者此前已经有两个类似的发现不能被同行重复。

　　在他看来，就学术方面而言，物理学家们一直都在寻找室温超导体。如果该发现被证实，由于其所需压力也不算高（此次的合成和测试条件跟之前相比已经宽松很多），这将是诺贝尔奖级别的成果。

　　“从商业上来说，作者自己也成立了公司，他说得很清楚，现在不会把这个样品提供给别人，他们会试图将该材料商业化。虽然从目前合成量来说，样品只有不到1mm，极微量，但因为合成条件并不严苛，不排除后期大规模合成的可能。从应用场景来看，虽然是室温超导，但是因为需要上万个大气压，其应用的场景会极为有限。目前最重要的还是其他研究组来证实该发现。”李世燕说。

　　延伸阅读：

　　略

　　略

　　有了上面这些预备知识，我们就可以一起来看一下这篇已经被发表在nature上的文章了。

　　看到Dias的名字了吗？最后一个

　　同大部分超导的文章一样，Dias研究团队对样品电输运、磁化率及比热进行了测量。

　　首先是电阻的测量结果，左图中给出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的电阻测量结果，三个电压下电阻都降低到了0，这正是超导体的主要特征之一，需要注意的是，这里1GPa时Tc是最高的，压强越低，Tc越高，是一个令人意外的结果。插图是样品及电极图片。右图则给出了超导态与正常态的V-I曲线。

　　这张图是对磁化率的测量，a图是60Oe（Oe是高斯单位制中表示磁场强弱的单位，可以理解为高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩随温度的变化图，可以明显看到其Tc为277K（4℃），b图给出磁矩与外磁场的关系，也符合超导体的特征，c图则是不同压力下的M-T曲线，这里的Tc与电阻上的保持一致，转变温度区间也很小，是非常好的转变。不过在a图中也可以看出来研究团队对原始数据做了一定处理。

　　这里多提一句，磁化率的测量会明显受样品形状、背底等因素的测量，理论上超导体应该表现出完全抗磁性（即4πχ=-1），但实际测量中测不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。当然Dias的文章中并没有约化，a图中纵轴是磁矩，并非磁化率。

　　Dias还对比热进行了测量，结果如上图所示，这里给出了10、10.5、20kbar的测量结果，可以看到，三个比热的曲线均能看到超导在比热上的转变，Tc与电阻的测量结果略有区别但完全可以理解，这个结果是合理的。不过该说不说，这个比热的转变并不算明显，尤其是10.5kbar的曲线，峰并不明显，10kbar的转变也尚不如20kbar明显。这三个比热的转变看起来也有些区别，尤其是10kbar和10.5kbar的数据，仅差了0.5kbar，但图像差异却很大。不过考虑是高压下测量的，或许有一些我们不知道的困难吧。

　　Dias还给出了样品的XRD（X射线衍射）结果，并绘制了晶胞图像，这当然也是必要的。

　　a图即XRD结果，他们采用了Mo靶，红线是理论计算的结果，圆圈是实际测量的结果，蓝线是二者的误差，看得出来，测量与计算的结果区别很小，样品可以说是一个纯相，Dias团队计算样品占比为92.25%，杂质为LuN1−δHε和Lu2O3。

　　b图则是他们绘制的晶胞图，白色原子是氢，绿色的是镥，粉红色的是氮原子，他们给出的样品化学式是LuH3−δNε，61kbar时空间群是Fm-3m和Immm，但Dias认为超导相空间群是前者。

　　最后是该样品的超导相图（原文这是第一张图），Tc随着压强升高而减小，这是出乎大家意料之处，后面或许也将成为研究的重点，b图是样片形貌随着压强的变化，常压下是蓝色的，随着压强升高逐渐变为粉红，最终呈现红色，样品的颜色还是非常喜庆的。

　　篇幅有限，支撑材料就不带大家一起看了，感兴趣的同学可以点击链接跳转nature官网查看。

　　Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature

　　从文章来看，这项工作无疑是突破性的，相关证据也很充足，如果能重复出来，搞不好未来能发诺奖。但物理学的研究终究不是一家之言，任何科学研究都应该经得起验证，这个也不例外，这项工作势必要经过行业内各个研究组的重复，如果经过多次重复之后，确定该结果的正确性，那将是划时代的工作。我们今年诺奖预测也就有底气了

　　这次的工作号称是近环境下的室温超导，通过上文，大家也能看到，Tc最高处的压强为1Gpa，大约1万个大气压，虽然还是很大，但相比于之前的270万个大气压，已经小了很多了，重复的难度也小了很多，相信已经有很多研究组已经开始着手重复实验了。

　　不过目前很多人对这个结果持观望态度，一方面是因为重复实验结果还没出来，另一方面或许是因为Dias之前的“前科”。

　　其实，在这之前，Dias就已经有了两个突破性的进展。一个是金属氢，另一个就是上一个室温超导。

　　Dias首先宣称自己在高压下合成了金属氢，相关文章发表在science上，但其他研究组没有重复出来，而他自己后来宣称，由于保存不当，保存金属氢的装置压力泄露，最终金属氢因为压力不足汽化消失了。后来，Dias也没有再合成金属氢。由此，金属氢可以说是成为了一桩“悬案”。

　　上次的氢化物室温超导也是由Dias合成的，其实现的压强高达270GPa，相关结果发表在nature上，但后续多个研究组试图重复该实验未果，并由于Dias未披露原始数据，多人认为其在磁化率的数据处理中使用了错误的方法，得到了并不能算正确的结论。因此在大家的一致抗议下，最终该文章被从nature上撤稿，当然，Dias研究团队所有成员都对该撤稿行为表示抗议，不过最终没有挽回。

　　正是因为这两起事件，领域内许多科学家对Dias研究团队其实持不信任态度，毕竟他们的数据结果总是比别人漂亮许多。但这次Dias给出很多原始数据，可以说全面又丰富，况且这次的成果只需要1GPa的压强，重复起来相对简单，想必我们很快就可以对该成果给出一个定论了，让我们拭目以待吧。

　　最近，物理界发生了一件震惊众人的大事。

　　闻听此言，吃瓜群众连手中的瓜都惊掉了。

　　为什么这件事情引起如此大的关注呢？这要从超导体的应用说起。

　　所以电阻会消失的对吗？

　　超导体：是的

　　根据物质的导电性能，可以将其分为导体、半导体和绝缘体。

　　在导体中，存在大量可以自由移动的带电粒子，他们可以在外电场的作用下自由移动，形成电流。

　　导体中自由的电子

　　在绝缘体中，电子则被束缚在原子周围，不能自由移动。

　　半导体则介于二者之间。

　　自由如导体，电子在运动的过程中也会受到原子的散射，产生电阻。

　　当温度降低到一定程度时，一些物质会进入一种奇妙的状态——超导态。此时电阻消失了，电子在其中无阻碍地运动。这个温度称为超导转变温度。

　　这个特性使得超导在应用方面大有作为：没有电阻就不会产生焦耳热，因此可以应用于大规模集成电路，建设超导计算机；能够承载较大电流而不会有电流损耗，可以制作高压输电线、超导电机等。

　　超导电机

　　除此之外，超导体还有两个特征：完全抗磁性和约瑟夫森效应。

　　普通导体处于磁场中时，其体内会产生一个感应磁场。而处于超导态的物质，无论外磁场如何变化，其体内的磁感应强度一定为零。

　　我们熟悉的磁悬浮列车就利用了这个特性。超导线圈可以承载很大的电流，形成强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时，由于完全抗磁性，超导体内部会产生一个相反的磁场，使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向，可以使列车保持向前运动。

　　超导电力悬浮系统

　　约瑟夫森效应是指两个超导体间隔很近，中间可以视为绝缘层，当距离近至原子尺度时，超导体中的电子对就可以越过绝缘层，产生超导电流。利用约瑟夫森效应可以制作超导量子干涉仪，用于测量非常微小的磁信号。

　　既然处于超导态的材料有这么多用途，为何没有广泛应用于生活中呢？

　　因为只有在特定温度之下，材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低，往往为几十开尔文（大约零下二百多度！），这在日常生活中非常难达到，阻止了超导材料的大规模应用。

　　所以大家应该明白，为什么室温超导能让那么多人心中振奋了吧！

　　高压室温超导

　　是如何实现的？

　　回到这个举世瞩目的成果。本次出现高温超导的材料为碳（C）、氢（H）和硫（S）的化合物，其电阻随温度变化的曲线如下图：

　　R-T曲线

　　由曲线可以分析出，此种化合物仍属于常规超导体。

　　超导体分为常规超导体和高温超导体，其中常规超导体中电子-声子相互作用较弱，可以用BCS理论解释；高温超导体（主要包括铜氧化物超导体和铁基超导体），则不能用BCS理论解释。

　　BCS理论认为，超导态物质之所以有完全导电性，是因为低温下，电子中自旋、动量都相反的可以两两结合成对，称为Cooper（库珀）对。Cooper对在晶格中的运动是无损耗的。

　　那么，有读者可能会提出疑问了。电子和电子之间明明同性相斥，怎么能结合成对呢？

　　这是由于电子间不是直接相互作用的，而是通过晶格振动传递相互作用的：带负电的电子在运动时，会对附近带正电的晶格粒子产生吸引作用，而这些被吸引的很多带正电的晶格粒子，会异性相吸吸引来其他带负电的电子。

　　怎么才能使电子更容易形成Cooper对呢？当然是一个电子吸引来的晶格粒子越多越好啦！而其中最轻的粒子，也就是元素周期表的第一位：氢（H），成为最佳候选人。

　　固体氢的熔点为14K（约-259℃），而且低温并不超导。科学家们预测，在高压下，固体氢会由绝缘态变为金属态。由于H原子很轻，因此金属氢形成Cooper对的温度，即超导转变温度也应该很高，更可能接近室温，但所需的高压也非常高——高到现有的设备难以满足。而一些含H的化合物，则可以在目前技术水平可达到的高压下，在室温形成超导体。如2019年，德国马普所研究的氢化镧（LaH10）就可以在170GPa（170万个大气压）的高压下，实现250K（约-23℃）的超导转变温度。而本次使用的C、H、S化合物则取得了进一步突破，在267GPa（267万个大气压）的高压下，实现288K（约15℃）的超导转变。值得一提的是，此前我国科学家（吉林大学崔田、马琰铭团队）也曾经理论预测过本材料的高温超导电性。

　　虽然解决了温度这一难题，但又出现了高压这个难题，此次的室温超导是在267GPa的高压下达成的，这是什么概念呢？地球地心处的压力约为300GPa，267GPa已经十分接近地心压力了。这么高的压力，全世界也只有很少的实验室可以达到。

　　那么，这项研究是不是没什么实际意义呢？非也！这个实验可以给我们带来的启发非常非常多：启发我们思考常规超导体和高温超导体的关系、超导电子配对的机制、未来寻找新材料的方向、应用超导技术的新领域等等。而且，它还给我们描述了一个美好的未来，一个超导机理的谜团解开，真理现于世间的未来；一个常压室温超导成为现实、超导技术大范围造福于民的未来。毕竟梦想还是要有的，万一真的实现了呢？

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责任编辑：冯体炜