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超导体研究突破288K。

编译| 渣渣辉   排版| Sybil

出品 | 科技智谷

如果你捡到了一盏神灯可以实现你三个愿望，你会许什么愿？

立刻中个一个小目标的彩票？马上解决单身问题？可以不再为健康担忧……小孩子才做选择，成年人当然是选择“全都要”，在寓言故事中国王对神灯许的最后一个愿望便是“帮我再实现三个愿望”，结局大家懂的都懂，国王的小算盘并没有实现。

其实不只国王有“无穷无尽”的欲望，回望人类的历史就会发现还有想依靠原始动力与惯性让机器永远运转下去的永动机等疯狂想法，但这些想法都被能量守恒定律给无情的击碎，可以说现代社会中最大的物理问题之一是阻力。

请注意，不是政治或社会阻力，而是电力阻力：你无法在不损失部分能量的情况下通过电线发送电流，并将其耗散为热量。电流只是随时间移动的电荷，并被人类利用来通过承载电流的电线移动。然而，即使是最好的、最有效的导体铜、银、金和铝等，都对通过它们的电流有一些阻力。无论这些导体有多宽，有多大的屏蔽，或未被氧化，它们在传输电能方面从来没有100%的效率。

除非，你能使你的载流导线从一个普通导体变成一个超导体。与普通导体不同的是，当你将其冷却时，电阻会逐渐降低，而超导体在低于某个临界阈值时，其电阻会骤降为零。在没有任何电阻的情况下，超导体可以以无损的方式传输电能，从而实现能源的高效利用。最近的发展带来了有史以来发现的最高温度的超导体，但我们可能不会很快改变我们的电子基础设施，因为这还是处于实验室中发生的前沿科学。

超导体困在200 K

超导有一个漫长而迷人的历史。我们早在19世纪就意识到，所有材料即使是最好的导体仍然表现出某种电阻。你可以通过增加电线的横截面，降低材料的温度，或减少电线的长度来降低电阻。然而，无论你的电线有多粗，你的系统有多冷，或者你的电路有多短，你永远不可能用标准导体实现无限的导电性，原因令人惊讶：电流产生磁场，你的电阻率的任何变化将改变电流，这反过来将改变你的导体内的磁场。

法拉第 1831 年证明感应的实验之一， 液态电池（右）

然而，完美的导电性 要求导体内部的磁场不会改变。在传统认知中，如果你采取任何措施来降低导线的电阻，电流会增加，磁场会发生变化，这意味着您无法实现完美的导电性。但对于某些材料来说，可能会出现一种固有的量子效应—— 迈斯纳效应，使导体内的所有磁场都被驱逐，这使得导体内部的磁场对于流过导体的任何电流都为零，如果你排除磁场，那么你的导体就具备了超导体的特性——零电阻。

超导性早在1911年就被发现，当时液氦首次被广泛用作制冷剂。科学家 Heike Onnes 使用液氦将元素汞冷却成固相，然后研究其电阻特性。正如预期的那样，对于所有导体，电阻会随着温度的下降而逐渐下降，但只会下降到一定程度。突然，在4.2 K（约零下269℃）的温度下，电阻完全消失。此外，一旦低于该温度阈值，固体汞内部就没有磁场。后来才发现其他几种材料表现出这种超导现象，它们都在自己独特的温度下成为超导体：铅的阈值在7K、铌的是10K、氮化铌为16K的温度时均会表现出超导现象。

理论进步伴随着它们，帮助物理学家理解导致材料成为超导的量子机制。然而，在 1980 年代的一系列实验之后，一些令人着迷的事情开始发生：由种类繁多的分子组成的材料不仅表现出超导性，而且有些材料在比已知最早的超导体高得多的温度下也表现出超导性。

在20世纪80年代中期，对含有镧和钡元素的铜氧化物进行的实验发现，其在超过 30 K 的温度下也具有超导性，这一发现打破了长期以来的温度记录，很快又发现使用锶代替钡在30K的温度下也具有超导性，后面又被钇钡铜氧化物这一种新材料再次打破温度记录。

这一发现是人类在超导研究上巨大的进步，钇钡铜氧化物不是在低于约40K的温度下实现超导，其是在77K以上温度下的超导的材料（它在92K时超导），这意味着你可以使用便宜得多的液氮来将你的设备冷却到超导温度。

这些发现导致了超导研究的爆炸性增长，各种材料被引入和探索，不仅极端温度，而且极端压力也被应用于这些系统。尽管围绕超导的研究出现了巨大的爆炸式增长，但超导的最高温度停滞不前，几十年来未能突破 200 K 屏障（而室温仅低于 300 K）。

尽管如此，超导性在实现某些技术突破方面已经变得无比重要。它被广泛用于创造地球上最强的磁场，这些磁场都是通过超导电磁铁制成的。从粒子加速器（包括欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）到诊断性医疗成像（它们是核磁共振机器的一个重要组成部分），超导性不仅本身是一个迷人的科学现象，而且还是一些优秀的科学加速实现的催化剂。

室温超导体提上日程

对于我们大多数普通人来说，对超导体的了解可能更多停留在其有趣和新颖的应用层面，例如利用那些强磁场使青蛙悬浮起来，或者利用超导的优势使无摩擦的冰球悬浮在上面并在磁轨上滑动，但这并不是真正的社会目标。目标是为我们的星球创造一个电气化的基础设施系统，从电力线到电子产品，其中电阻是过去的事情。虽然目前一些低温冷却系统利用了这一点，但室温超导体可能导致一场能源效率革命，以及磁悬浮列车和量子计算机等应用中的基础设施革命。

2015年，科学家采取了一种非常类似于水 (H2O) 的简单分子--硫化氢（H2S），并对其施加了令人难以置信的压力——155千兆帕，是海平面上地球大气压力的1500000倍以上(相当于对你身体的每一平方英寸施加了超过10000吨的力量) ，困扰科学家几十年的200K屏障，在这种极度高压的条件下被成功破解了。

这条研究路线非常有前途，以至于许多对实现超导问题的实际解决方案的前景感到失望的物理学家再次对它产生了兴趣。在2020年10月14日的《自然》杂志上，罗切斯特大学的物理学家Ranga Dias和他的同事在极端压力（约267千兆帕）下混合了硫化氢、氢气和甲烷，创造出了一种材料--光化学转化的碳质硫氢化物系统。其首次观察到最大超导转变温度为 288 K(约 15 摄氏度),这意味着一个简单的冰箱或热泵会突然使超导成为可能。

去年的发现代表了一个巨大的象征性突破，因为近年来在极端压力下，已知的超导温度的提高是稳步进行的。2015年对氢和硫加压的工作破解了200K的障碍，2018年对涉及镧和氢的高压化合物的研究破解了250K的障碍。发现一种可以在液态水温度下超导的化合物（尽管是在极高的压力下）并不完全是一个惊喜，但突破室温屏障确实是一件大事。

然而，实际应用似乎仍然非常遥远。在普通温度但极端压力下实现超导并不比在普通压力但极端温度下实现超导要容易得多；两者都是普及的障碍。此外，超导材料只有在保持极端压力的情况下才会存在；一旦压力下降，发生超导性的温度也会下降，接下来需要突破解决的是创造一个没有这些极端压力的室温超导体。

可令人担忧的是，这里可能存在某种Catch-22的情况。在标准压力下，最高温度的超导体在你改变压力时不会有明显的行为变化，而那些在高压下甚至更高温度的超导体在你降低压力时不再如此。适合制作电线的固体材料，如前面讨论的各种铜氧化物，与在这些极端实验室条件下只产生微量的加压化合物有很大不同。

不过正如 Emily Conover 在《科学新闻》上首次报道的那样——在计算计算的帮助下，理论工作可能有助于指明方向。每种可能的材料组合都可以产生一组独特的结构，这种理论和计算搜索可以帮助确定哪些结构可能有利于获得所需的高温和低压超导体的特性。例如，2018 年首次跨越250 K 超导屏障的进展就是基于这样的计算，这导致了镧-氢化合物，然后进行了实验测试。

通过利用一组新的化合物，这种计算已经取得了实质性的进展，钇和氢它们在接近室温（-11摄氏度）下，比以前要求的压力低得多的情况下依旧可以进行超导。虽然金属氢只存在于超高压下，但在木星大气层底部发现的材料有望成为一种优秀的高温超导体，只需添加额外的元素便可以降低压力要求，同时仍然保持高温超导特性。

从理论上讲，现在已经探索了所有与氢的单元素组合的超导特性，目前正在寻找双元素组合，例如 Dias 之前通过实验发现的碳-硫-氢化合物。镧和硼与氢的组合在实验中显示出了前景，但是可能的双元素组合的数量上升到了数千。只有通过计算方法，我们才能在下一步应该尝试什么方面得到指导。

围绕高温超导的最大问题现在也都涉及到通往低压的途径。真正的 "圣杯 "时刻将到来，届时在常温与低压的情况下依旧能够创造出超导性，使各种各样的电子设备能够用上超导体的特性。尽管个别技术将取得进展，从计算机到磁悬浮设备到医疗成像等等，但最大的好处也许将来自于电网中大量能源的节约。根据美国能源部的数据，高温超导技术每年仅在能源分配成本方面就能为美国节省数千亿美元。

在一个能源资源有限的世界里，消除任何低效率都能使所有人受益：能源供应商、分销商和各级消费者。它们可以消除诸如过热的问题，大大减少电气火灾的风险。而且它们还可以增加电子设备的寿命，同时减少对散热的需求。超导体曾经是一种新奇的东西，随着20世纪研究的进步，它一跃成为科学主流。也许，随着常温超导体研究的深入，未来超导体将像铜线一样走进人类的生活，至少目前看到了希望。

原文：《How Close Are We To The Holy Grail Of Room-Temperature Superconductors?》

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