室温超导，乌龙撤稿后仍是‘黄金年代’？
Nature Portfolio
赛先生
2023-12-09 18:03:43
转自公众号：Nature Portfolio
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一块磁铁悬浮于用液氮冷却的超导体钇钡铜氧上方丨来源：David Parker/IMI/Univ. of Birmingham High TC Consortium/Science Photo Library
导读：超导领域的研究者认为，尽管2023年曾出现过“室温超导乌龙”事件，但室温超导研究仍处于“黄金年代”，并有望在未来取得重大突破。
Davide Castelvecchi | 撰文
几周前，《自然》的一篇撤稿平息了对室温超导体的最新发现的争议，这篇论文中，研究人员称制备出了一种不产生废热也不需冷却就能导电的材料。就在这次撤稿前，今年早些时候，所谓的“超导体”LK-99在社交平台上引发轰动后被证明是一次乌龙。虽然有这些“反转”，但超导研究人员认为，该领域正在经历某种复兴。“这个领域并没有奄奄一息，事实恰恰相反。”罗马大学研究计算预测的物理学家Lilia Boeri说道。
领域内取得的部分进展来自计算机模拟现在有能力预测未发现材料的存在和特性。最令大家激动的是“超氢化物”，这是一类富氢材料，已被证明能在更高温度下实现超导，前提是必须处于高压下。《自然》撤回的这篇论文号称发现了这样一种材料，它由氢、镥、氮组成。不过，过去几年的研究报道了多个可能具有颠覆特性的材料家族。
爱荷华州立大学和艾姆斯国家实验室的物理学家Paul Canfield说：“看起来我们已经站在发现大量新超导体的边缘。”电子冲浪当固体中的电子结合形成“库珀对”时，超导现象就会出现。这会促使材料中远超常规数量的电子同步移动，反过来让电子能在不会产生废热的情况下输送电流。在“常规”超导体中，材料的电子在振动下结合时会形成库珀对——库珀对就像在机械波上冲浪。
2000年代中期以前，研究人员普遍认为这种机制只存在于极低温下，最高约40开尔文左右。由单个元素组成的超导体需要10开尔文以下的温度才能出现超导。二硼化镁是日本冈山大学的秋光纯团队在2001年发现的常规超导体，将最高温度纪录提升至39开尔文。
超氢化物的理论基础在2004年提出，当时已故理论物理学家Neil Ashcroft预言特定元素与氢形成的化合物或能在比其他材料更高的温度下实现超导，不过必须在高压下，以便氢原子能挨得更近。根据Ashcroft的理论，氢原子的靠近可以增加机械振动的频率，从而让材料在更高温度下也能保持超导性。但有一个问题：这些材料存在的先决条件，是必须达到相当于地核的压强。
后来，研究人员开始在金刚石压砧内的微型样本上开展高压试验并测量结果，这一进展在2015年带来了一大突破——当时，德国马克斯·普朗克化学研究所的物理学家Mikhail Eremets与合作者首次演示了一种超氢化物——硫化氢——的超导性。后来，科学家预测该家族还有其他超导材料，其中一些已经被发现，包括包合物这种基于钙的笼状结构。
目前，公认“最热”的超导体为十氢化镧，这是超氢化物家族成员，已被证明是能达到至少250开尔文的高压常规超导体。Eremets等人表示，理论、模拟、材料合成和实验的相互影响对于这些进展功不可没。2000年代开始后，研究人员能够通过模拟预测有特定晶体结构和化学组成的材料是否是超导体，以及实现超导的转变温度。
下一个重要进步是2000年代末引入的算法，不仅能预测材料性质，还能预测特定元素的组合能形成哪些材料。Boeri说：“在那之前，一直少了重要一环：预判某个化合物是否能形成。”2015年发现硫化氢是超导体与前一年的计算机模拟结果一致。如果没有结构预测的快速进展，这个富氢超导体的发现“可能还要等一个世纪。”结构预测算法先驱、莫斯科斯科尔科沃科学技术研究院的材料科学家Artem Oganov说。
他的“演化”算法发现了最低能量的原子构型，具有在特定压强下形成并保持稳定的最佳机会。模拟对于预测材料在高压下的行为尤其重要，高压下原子会相互靠近，不仅能通过外层电子相互作用，还有更多的内层电子，使我们熟知的化学规律开始失效。这方面的一个例子是只能在高压下存在的六氢化锂。纽约州立大学布法罗分校的计算化学家Eva Zurek说：“任何上过化学通识课的人会告诉你LiH6这种物质是不稳定的。
”目前，为了寻找与氢结合后实现超导的最佳元素，科学家几乎把元素周期表试了个遍。他们还开始模拟让不止一个元素与氢结合，而这在计算上更难，需要用到超级计算机。Oganov说，表现最好的元素似乎都是元素周期表上左边的金属，如钙、锂和镧。预测显示，最合适的元素之一是重金属锕。但验证该理论有难度，因为锕非常稀少，而且放射性很强。
Boeri等人还在模拟中实验了多个含硼化合物，这种化合物的实际晶体结构会使氢原子之间靠近。模拟显示，这种“化学压力”能减少对外界压强的需求，同时仍能达到晶体的高振动频率，这能保证库珀对在高温下的活性。更有前景的结构可能是那种无需高压，只在高频下振动的共价键结构。Boeri和她的同事开展的模拟发现，有些材料——与超导体二硼化镁相似的结构——或能在110开尔文下实现超导。
虽然这个温度离室温还很远，但已经高到可以不需要靠昂贵的液氦低温技术来维持，而能使用基于液氮的简易冷却系统。Eremets说：“常压和室温很难，没人指望能立刻实现。”但他说，在创造能在液氮温度下运作的超多体的道路上，任何进步都是了不起的。对“非常规”超导体的兴趣也在重新点燃，这里的“非常规”是指库珀对的形成不是因为固体中的机械波，而是因为某种尚未发现的机制。
这类材料包括1980年代首次发现的名为铜氧化物的基于铜和氧的材料。直到超氢化物出现前，铜氧化物是当时温度最高的超导体。这种超导体很贵，很难操弄，但有技术上很先进的应用，并有望成为未来聚变反应堆和粒子对撞机的关键成分。它们在基本机制仍很神秘。理论物理学家认为，理解铜氧化物中电子的复杂行为是他们领域的最高最难的问题之一。2019年发现一类新的非传统超导体重新激发了大家的乐观情绪。
这种“镍氧化物”基于镍而不是铜，斯坦福大学物理学家Kyuho Lee和同事在7月发表了结果，显示这两个家族有类似行为。研究镍氧化物或帮助研究人员搞清楚铜氧化物的原理，Lee说，“在镍系统中寻找超导性的整个动机是为了在其他材料中发现类似铜氧化物的超导体。”
无论常规还是非常规，寻找能在环境条件（压强和温度）下工作的超导体可能最终被证明的是不可能的。北京高压科学研究中心主任毛河光说，“永不说永不，”但发现这类材料的可能性微乎其微。超氢化物的突破令人鼓舞，Oganov说，“我们知道阻碍实现室温超导的肯定不是物理学原因。”Canfield说：“现在绝对是超导探索的黄金年代。”
时间线：超导大事件
1911年 发现超导性
物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，固态汞在低于3开尔文的“转变温度”下，电阻也降至零。后来又发现了其他多种纯金属，转变温度皆低于10开尔文。
1957年 解释超导性
理论物理学家John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer解释了超导机制，该机制以三人的首字母命名为BCS。
1986年 发现铜氧化物
IBM的两位物理学家Georg Bednorz和Alexander Müller发现一种铜基材料能在35开尔文下实现超导，这是首个无法用BCS理论解释的“非常规”超导体。之后几年又陆续发现了一些铜氧化物，其中有些能在133开尔文的温度下实现超导。
2001年 高温纪录
Jun Akimitsu发现二硼化物有超导性。其转变温度为39开尔文，是常规超导体在常压下能达到的最高温度。
2004年 预言超氢化物
Neil Ashcroft预言高压下的某些富氢材料会在超高温下出现常规超导性。
2015年 超氢化物成功
Mikhail Eremets和同事发现了硫化氢在250开尔文的温度下实现超导的证据。这和其他超氢化物超导体需要至少100万倍大气压的压强。
2019年 发现镍氧化物
物理学家Harold Hwang和同事发现了一类非常规镍基超导体。