2020年10月,来自美国的研究团队在超高压下首次实现了室温超导,临界温度约15℃。这项成果令物理学界振奋,也是2020年最振奋人心的科研成就之一,甚至被认为是超导研究乃至物理学史上的一次里程碑事件。《返朴》曾刊发了多篇超导研究相关的文章,这篇文章则是通过对超导研究历史的梳理,通俗地讲述物理学家如何一点点突破临界温度,实现百年前立下的目标。那些人与故事,激动人心。
1904年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在莱顿大学建立了一个大型低温物理实验室。1908年7月10日,昂内斯的实验室从早晨五点半一直忙活到晚上九点半,在下午六点半到时候,实验室人员见证了物理学历史性的发现,气体氦变成了液体氦,并创造了人造低温的新纪录——4.2K。随后的日子里,昂内斯实验室继续降低温度,最终获得了1.5K的纪录。
昂内斯获得了绰号“绝对零度先生”,还凭借此项研究获得了1913年诺贝尔物理学奖。
1911年春,昂内斯加入到低温下金属电阻的研究中。当时,有物理学家认为电阻随温度降低而一直降低,最终趋近于零;还有物理学家认为,温度接近0K的时候,电子被完全冻住,电阻将是无穷大;还有物理学家猜想,随着温度越来越低,电阻逐渐趋近于一个定值,不再随温度变化。昂内斯决定用实验解决争议。
1911年4月8日,昂内斯测量了水银的电阻随温度的变化曲线。实验在早上7点开始,下午4点整,实验出现了一个连他自己都无法相信的结果——在4.2K的温度下,水银的电阻突然消失了!水银的电阻随温度下降不是增大,而是减小,但不是逐渐减小,而是到某个温度的时候,突然降到零!水银在4.2K温度下,进入了一种新物态,昂内斯称之为“超导态”,电阻突然变为零时的温度叫做超导临界温度。
1930年代开始,超导理论研究开始取得显著进展。1957年,超导的完整的微观理论终于出炉。这个理论以三个提出者的姓氏的首字母命名,称为BCS理论。实验研究者继续努力,1930年后开始研究金属的碳化物、氮化物以及金属间化合物的超导电性。到1973年,超导临界温度才仅仅提高到了23K。
1968年,美国物理学家威廉·麦克米兰根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式,将公式外推到极限情况,得到最大超导体临界温度约是30-40K,也就是所谓的麦克米兰极限。1986年6月,IBM公司瑞士苏黎世研究院的两位科学家,德国人约翰内斯·柏诺兹和瑞士人卡尔·缪勒,报道了一种全新的超导材料——一种铜氧化物陶瓷材料,临界温度35K,他们一下子把超导临界温度提高了50%。
1987年3月18日的美国物理学会年会上,主办方安排了51场有关高临界温度超导的演讲,其中最引人注目的演讲者就是缪勒和朱经武。会议定于晚上七点半开始,开始前两小时就有人排队,最后排队者有2千余人。会议室的门一打开,物理学家们毫无风度地一拥而入,瞬间挤满了会议室。未能挤入会议室的人,在酒店找闭路电视观看。会议一直进行到凌晨3点才结束。
会议结束后,物理学家们仍没有退场的意思,依然热烈地讨论着,直到天亮,人群才散尽。
1993年,铜氧化合物超导临界温度提高到了134K。向铜氧化合物加高压,朱经武创造了165K的纪录。被寄予厚望的铜氧化合物超导临界温度向室温前进,却半途而止。2008年,日本科学家发现超导临界温度超过40K的含铁的化合物,即铁基超导体。中国科学家迅速跟进,并将超导临界温度提高至55K,在极短的时间内吸引了全世界超导学者的目光,再次为中国超导科学赢得声誉。
2017年,马琰铭领导的课题组预言稀土元素的氢化物在高压下可变成超导体,临界温度比硫化氢更高。同年,美国科学家预言化合物LaH10在高压下上高临界温度超导体。这个理论预言在2019年得到证实,在170万倍大气压强下,LaH10变成超导体,临界温度为250K,即零下23摄氏度。
2020年10月,美国罗彻斯特大学的Ranga Dias领导的课题组在含氢三元化合物中实现了室温超导体,超导临界温度为288K,即15摄氏度,所需压强为155万倍大气压强。室温超导是实现了,但是是在上百万倍大气压强下实现的,距离实用性依然有很远的距离,即便是基础研究,全世界也只有屈指可数的实验室能达到此等条件。
目前已有大量理论计算文章预言了很多高压高临界温度超导体,Dias的工作显然会使这个领域更火热。随着研究的深入,有理由期待,临界温度会继续提高,所需压强会降低,材料性质更优良。也许不远的将来,室温超导会成为实用技术,超远距离输电将几无损耗,磁悬浮列车成本将变得低廉,量子计算机将易于实现……每一项应用都会深刻改变我们的世界。