提問，2023年3月8日

是什么日子？

答：婦女節(jié)

然后呢？

然后……

然后這一天還是美國物理學(xué)會的三月會議中的一天，可不要小看這一天，看似平平無奇的一天，卻爆出來可能會改變世界，改變?nèi)祟惖奈锢韺W(xué)進(jìn)展。

羅徹斯特大學(xué)的Dias團(tuán)隊宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元相，該研究團(tuán)隊認(rèn)為，其在大約10kbar（也就是1GPa，約相當(dāng)于1萬個大氣壓）下可以實現(xiàn)約294K（也就是約21℃）的室溫超導(dǎo)電性。

這時，就有人要問了，超導(dǎo)是個啥，發(fā)現(xiàn)個室溫超導(dǎo)為啥這么激動？

01

超導(dǎo)及其應(yīng)用價值

超導(dǎo)態(tài)是材料的一種特殊狀態(tài)，在超導(dǎo)態(tài)中，材料處于零電阻的狀態(tài)中，初中二年級的物理告訴我們，電阻是材料普遍具有的性質(zhì)，當(dāng)電流流經(jīng)材料時，其內(nèi)部的晶格、雜質(zhì)等會對載流子運動產(chǎn)生阻礙，載流子本身攜帶的能量會被轉(zhuǎn)移到晶格上，宏觀上造成焦耳熱，電勢也會相應(yīng)下降。

而沒有電阻的超導(dǎo)體就完全沒有上述問題，電流流經(jīng)超導(dǎo)體，既不會發(fā)熱，也不會出現(xiàn)壓降，因此電流可以無衰減地在超導(dǎo)體中流動。

很明顯，超導(dǎo)體的意義是顯而易見的，如果我們的電線都采用超導(dǎo)體，那就不會存在能量衰減。我們現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù)，其實就是提高輸電線的電壓，來盡可能降低能量損耗，可如果使用了超導(dǎo)電線，將完全不存在這個問題，將徹底改寫整個行業(yè)，我們可以直接以市電電壓傳輸電力，完全不需要變電站，我們或許可以直接使用直流電。

但是，由于超導(dǎo)Tc（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，指超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度）的限制，這一設(shè)想完全無法實現(xiàn)，我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的絕大部分超導(dǎo)體Tc都在77K（-196℃）以下，這是液氮的沸點，Tc在這之下的超導(dǎo)體大部分時候是使用更加昂貴的液氦制冷來使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，只有少部分銅基超導(dǎo)體Tc達(dá)到了77K之上，可以使用液氮制冷來使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。

即便如此，超導(dǎo)體在我們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)有了應(yīng)用，醫(yī)院的核磁共振便采用了超導(dǎo)體，這就涉及了超導(dǎo)體的另一重大應(yīng)用方向，即產(chǎn)生大磁場。

當(dāng)我們需要一個很大的磁場時，我們首先想到的是什么？磁鐵？不不不，永磁體的磁場遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們的要求，再回想一下初中二年級的物理知識，沒錯，通電螺線管?。±秒娏?，我們也可以得到磁場，更令人振奮的是，磁感應(yīng)強度與電流強度成正比，也就是說，電流越大，磁場越強。

但大電流就會遇到上文提到的兩個問題，焦耳熱與壓降，大電流會產(chǎn)熱，更令人絕望的是焦耳熱與電流的平方成正比，因此，電流每增加一分，磁場就會相應(yīng)增強一分，但產(chǎn)熱會按平方增加，最終絕大多數(shù)能量都將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

焦耳熱的來源是電阻，只要沒有電阻，就可以完全不考慮焦耳熱的影響，因此超導(dǎo)體在這里的意義就顯而易見了，我們?nèi)绻贸瑢?dǎo)體線材制作線圈，就可以幾乎無節(jié)制（磁場也可以抑制超導(dǎo)態(tài)，這里需要注意產(chǎn)生的磁場不能超過超導(dǎo)體的臨界磁場）地提升線圈內(nèi)的電流強度，進(jìn)而獲得強大的磁場。這就是核磁共振中強大磁性的來源。

除了以上場景，利用兩個不同超導(dǎo)體做成的約瑟夫森結(jié)也有重要應(yīng)用價值，我們可以利用它制作SQUID，這個裝置是目前最精確的磁場探測裝置，在超導(dǎo)量子計算機中也有重要應(yīng)用。

看到這里，你應(yīng)該對室溫超導(dǎo)的意義有一定認(rèn)知了，如果我們真的可以發(fā)現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo)，那將使整個人類社會產(chǎn)生重大改變，我們現(xiàn)有的科技可能面臨顛覆，能源問題得到重大緩解，對整個人類都具有重大進(jìn)步意義。

我們還是簡單介紹一下超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歷程及其輸運性質(zhì)，這有利于我們理解Dias的工作。

02

超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)及其機理

1911年，昂內(nèi)斯改進(jìn)了制冷設(shè)備，率先將溫度降至液氦沸點之下，在此期間，他發(fā)現(xiàn)汞的電阻在4.2K時突然降為零，經(jīng)過再三確認(rèn)，他最終確定，這不是實驗上的失誤或誤差，這是汞本征的性質(zhì)，由此，他打開了超導(dǎo)的大門，汞也是我們發(fā)現(xiàn)的第一個超導(dǎo)體，Tc為4.2K。

昂內(nèi)斯僅僅測量的汞的電阻，這揭示了超導(dǎo)體在電輸運上的特征，也就是零電阻。

后來，1933年，邁斯納在對進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的錫或鉛金屬球做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，其內(nèi)部的磁場會迅速被排出體外，磁場只在超導(dǎo)體外部存在，超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全抗磁性，這就是邁斯納效應(yīng)。

后來的研究發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體可以進(jìn)一步劃分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體，第一類超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全的抗磁效應(yīng)，內(nèi)部完全沒有磁場。而第二類超導(dǎo)體則允許磁場在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生磁通量子，也就是允許磁場部分地進(jìn)入超導(dǎo)體。

以上對超導(dǎo)體的研究更多地還停留在對其性質(zhì)探究，我們實際上也一直在尋找超導(dǎo)的內(nèi)在機理，探索其本質(zhì)。

最開始的嘗試是倫敦方程，不過這個理論無法揭示穿透深度與外磁場的關(guān)系。1950年左右，前蘇聯(lián)科學(xué)家金茲堡和朗道提出了解釋超導(dǎo)的唯象理論——金茲堡-朗道理論（G-L理論）。該理論建立在朗道二級相變理論的基礎(chǔ)上，用序參量描述超導(dǎo)體。該理論成功解釋了超導(dǎo)體，上文提到的第一類超導(dǎo)體與第二類超導(dǎo)體就是根據(jù)G-L方程求解的界面能的正負(fù)判定的。

根據(jù)G-L理論，超導(dǎo)體從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個二級相變，因此，理論上我們可以在比熱的測量中發(fā)現(xiàn)其在Tc處有一個躍變，或者叫一個峰。后來這也在實驗上被證實。

看到這里，你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了，超導(dǎo)的文章特別好寫，測一下電阻，測一下磁化率，如果可以的話，再測一下比熱，比熱即便測不了也不是什么大事，搞完這些就齊活了。

最后還要簡單提一下，我們目前解釋超導(dǎo)的最好的理論就是BCS理論，這個理論的核心就是電子在與晶格的耦合中會出現(xiàn)電子吸引電子的可能，這樣兩個電子會結(jié)成庫珀對，結(jié)成庫珀對的電子可以看作玻色子，在低溫下，發(fā)生“凝聚”，能量可以無耗散地在凝聚的庫珀對中流動，實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。

但BCS理論也不能解釋所有超導(dǎo)態(tài)，我們根據(jù)BCS理論計算得到麥克米蘭極限，即符合BCS理論的超導(dǎo)體Tc不會超過40K，但實際上很多超導(dǎo)體都突破了這一極限，比如銅基超導(dǎo)和鐵基超導(dǎo)，這樣的超導(dǎo)體被稱為高溫超導(dǎo)體，也就是說相對于之前20 K以下的超導(dǎo)體，Tc高了很多。

本來還想介紹一下實驗中高壓的獲取，篇幅所限，有機會再聊。之前有一篇文章也講解了實驗室中的高壓技術(shù)，感興趣的可以點擊這里看一下。

03

新的室溫超導(dǎo)

有了上面這些預(yù)備知識，我們就可以一起來看一下這篇已經(jīng)被發(fā)表在nature上的文章了。

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看到Dias的名字了嗎？最后一個

同大部分超導(dǎo)的文章一樣，Dias研究團(tuán)隊對樣品電輸運、磁化率及比熱進(jìn)行了測量。

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首先是電阻的測量結(jié)果，左圖中給出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測量結(jié)果，三個電壓下電阻都降低到了0，這正是超導(dǎo)體的主要特征之一，需要注意的是，這里1GPa時Tc是最高的，壓強越低，Tc越高，是一個令人意外的結(jié)果。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的V-I曲線。

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這張圖是對磁化率的測量，a圖是60Oe（Oe是高斯單位制中表示磁場強弱的單位，可以理解為高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖，可以明顯看到其Tc為277K（4℃），b圖給出磁矩與外磁場的關(guān)系，也符合超導(dǎo)體的特征，c圖則是不同壓力下的M-T曲線，這里的Tc與電阻上的保持一致，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小，是非常好的轉(zhuǎn)變。不過在a圖中也可以看出來研究團(tuán)隊對原始數(shù)據(jù)做了一定處理。

這里多提一句，磁化率的測量會明顯受樣品形狀、背底等因素的測量，理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性（即4πχ=-1），但實際測量中測不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。當(dāng)然Dias的文章中并沒有約化，a圖中縱軸是磁矩，并非磁化率。

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Dias還對比熱進(jìn)行了測量，結(jié)果如上圖所示，這里給出了10、10.5、20kbar的測量結(jié)果，可以看到，三個比熱的曲線均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc與電阻的測量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解，這個結(jié)果是合理的。不過該說不說，這個比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯，尤其是10.5kbar的曲線，峰并不明顯，10kbar的轉(zhuǎn)變也尚不如20kbar明顯。這三個比熱的轉(zhuǎn)變看起來也有些區(qū)別，尤其是10kbar和10.5kbar的數(shù)據(jù)，僅差了0.5kbar，但圖像差異卻很大。不過考慮是高壓下測量的，或許有一些我們不知道的困難吧。

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Dias還給出了樣品的XRD（X射線衍射）結(jié)果，并繪制了晶胞圖像，這當(dāng)然也是必要的。

a圖即XRD結(jié)果，他們采用了Mo靶，紅線是理論計算的結(jié)果，圓圈是實際測量的結(jié)果，藍(lán)線是二者的誤差，看得出來，測量與計算的結(jié)果區(qū)別很小，樣品可以說是一個純相，Dias團(tuán)隊計算樣品占比為92.25%，雜質(zhì)為LuN_1?δH_ε和Lu₂O₃。

b圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉紅色的是氮原子，他們給出的樣品化學(xué)式是LuH_3?δN_ε，61kbar時空間群是Fm-3m和Immm，但Dias認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者。

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最后是該樣品的超導(dǎo)相圖（原文這是第一張圖），Tc隨著壓強升高而減小，這是出乎大家意料之處，后面或許也將成為研究的重點，b圖是樣片形貌隨著壓強的變化，常壓下是藍(lán)色的，隨著壓強升高逐漸變?yōu)榉奂t，最終呈現(xiàn)紅色，樣品的顏色還是非常喜慶的。

篇幅有限，支撐材料就不帶大家一起看了，感興趣的同學(xué)可以點擊鏈接跳轉(zhuǎn)nature官網(wǎng)查看。

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