这个室温超导研究，要么是惊天乌龙，要么会改变世界

发布时间：2023-03-10 14:27:09 所属栏目：外闻来源：

导读：在美国物理学会（APS）3月年会上，罗切斯特大学的拉甘‧ 迪亚斯（Ragan P. Dias）团队扔下一枚“重磅炸弹”，宣称在1GPa（约等于1万个大气压）的压强下，镥-氮-氢体系材料中实现了室温超导。

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在美国物理学会（APS）3月年会上，罗切斯特大学的拉甘‧ 迪亚斯（Ragan P. Dias）团队扔下一枚“重磅炸弹”，宣称在1GPa（约等于1万个大气压）的压强下，镥-氮-氢体系材料中实现了室温超导。

此消息一出，瞬间成为了科研圈和媒体圈的热门话题。不过，看到这里的你，可能会有很多问题：超导是什么？室温超导又是什么？为什么这么多人都在关注这项研究成果？

物理上，超导（superconductivity）是材料在低于一定温度时电阻变为0的现象，转变后的材料称为超导体（superconductor）。

中学教材里提到过，在一个电路中，导线里的电荷在功率驱动下会像慢跑运动员一样运动，从而产生电流，但经过导体的电阻会阻碍它们的运动。

如果电路由超导体组成，电荷就能在电路中自由自在地奔跑，电流会一直流动下去。在一个超导铅制成的环路中，可以连续几个月都观测不到电流减弱的迹象。

超导现象最早由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现。

根据超导体的完全抗磁性，可以做一个有趣的实验：在超导体的正下方放置一个磁体，磁体在周围产生磁场，而超导体的内部不允许磁场存在，从而产生相反磁场，与磁体互相排斥。

后来物理学家总结，要看一个材料是不是超导体，就看它是否同时具有零电阻现象和完全抗磁性的特征，两者缺一不可。

超导体进行长距离大容量输电，能极大的减少能量浪费 | instituteforenergyresearch.org

可惜，理想很丰满，现实很骨感。直到目前为止，超导体的实际应用还主要集中在粒子加速器、磁悬浮、超导量子干涉仪等特定情境中。在超导电力工程实施方面，尤其是被业内业外寄予厚望的超导线实现了长距离可靠的输电，大范围特高压输变电的应用仍然遥遥无期。

材料转变为超导体的温度被称为超导临界温度（T c ），低于这个T c ，超导体才能保持自身的超导性质。

然而，绝大多数材料的T c 都非常低，基本都在50K（也就是大约-220℃）以下，需要借助液氮或液氦等维持低温环境。

想象一下，辛辛苦苦建造一条几百公里的超导输电线，还需要全程浸泡在液氮中冷却，成本得多么夸张！

所以为了让超导体得到更广泛的应用，必须要找到T c 更高、最好是室温条件下（大约300K左右）也能保持超导性的材料。

从发现超导现象开始，物理学家对高T c 超导体的寻找从未停止，但一直举步维艰。

在最开始的70多年内，T c 的上限连突破30K都很困难，甚至有理论提出超导体的T c 不可能超过40K，给大家泼了好大一盆冷水。

直到1989年，IBM公司的工程师约翰内斯·贝德诺尔茨（Johannes Bednorz）和卡尔·缪勒（Karl Müller）在镧-钡-铜-氧体系中提出可能存在35K的超导电性，其他研究团队在后续实验中发现，这种铜氧体系的T c 竟然最高能达到138K（HBCCO），一下子把纪录提高了超过100K！

物理学家将这类铜氧化物超导体称为高温超导体，柏诺兹和缪勒也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

虽然名为高温超导体，但也只是相对于先前40K的低温而言，铜氧化物的T c 和物理学家的最终目标还有一定距离。

虽然这种超高压下的超导体缺乏实际应用场景，但仍然是令人激动的温度突破。

说到这里，这次扔下室温超导“重磅炸弹”的拉甘‧迪亚斯就要登场了。

迪亚斯的实验方式主要是对碳、硫、氢气混合形成的材料用激光照射和金刚石挤压，发现材料在高压下能达到287.7K的临界温度。这是首次有实验结果表明T c 达到室温，瞬间在全世界的科研圈和媒体圈中引发了轰动。一时间，似乎室温超导这一终极梦想距离现实已近在咫尺。

这样的实验需要使用激光照射和金刚石挤压，以达到极高的压强 | J. Adam Fenster / University of Rochester

然而，众人的热情很快被质疑声浇灭。迪亚斯的这篇论文发表后，众多学术界大牛对他的实验数据表示怀疑，比如说磁化率的原始数据和数据处理缺乏依据，之前做出硫化氢超导的埃雷米茨尝试了6次也没能复现出迪亚斯的实验结果。

两年后的2022年，尽管迪亚斯团队坚持认为实验结果不存在问题，那篇论文仍然在质疑声中被《自然》杂志撤稿。

就在人们以为迪亚斯的“室温超导”要以一场闹剧收场时，没想到他在昨天（3月8日）的美国物理学会会议上又扔下了一枚“重磅炸弹”。这次他声称，发现镥-氮-氢体系的材料在1GPa的压强下同样实现了约21℃的超导。

相比那篇被撤稿的论文，这次实验结果的压强条件直接从267GPa大幅降低到了1GPa。虽然1GPa仍然是现实情境中难以实现的压强，但如果实验结果得到证实，那也是为室温超导的实现迈出了一大步。

上次撤稿的nature文章里报道的是在极端高压强下（大于100万大气压强）的室温超导电性，而本次工作中报道的是1万大气压强下的室温超导电性。压强很低，可以做更多表征证明它的超导电性。

首先压力更低了，仅有1万大气压，远远低于上次室温超导所需的267万大气压，这样的实验条件，广大的实验同行很快就可以跟进，使得这一次的实验验证远比上一次容易。其次文章中给出的主观数据非常充分，包括电阻，磁化率测量，热容测量，XRD测量，还结合了理论计算。综上所述，如果数据可靠的话，将是一个重大突破。

目前，文章展示了超导行为表征所需的零电阻数据以及抗磁数据，同时对于比热及结构都进行了相应的表征，作者基本上做了高压下能够进行的除了红外光谱外的大多数关于超导测量的实验表征，数据质量很高，让人很难驳斥。但文章中依然有一些难以理解的点，比如：

2）以往合成的富氢超导材料通常为黑色，如果表面比较光滑，利用反射光显微镜成像能看到金属光泽，但是作者报道的Lu-N-H体系在较低的压强范围下颜色变化非常大，与以往无机物的经验不是非常符合。

实际上我们也对这三个元素的组合材料做了大量的预测，但仍未发现与实验一致的结果。从理论上讲，氢化物超导的机制是需要氢比例非常高的，而高氢比例需要高的压强，但是这个实验工作的压强较低，所以从理论上讲，很难预测出高氢比例的氢化物。综上所述，我对于预测出这三个元素的超导结构不乐观。但是，如果我们能够找到一种方法，可以在不改变原子结构的情况下，将氢原子转化为更高的能量，那么就可以实现这个目标。

如果这个研究是正确的，那么室温超导的应用将不是梦想。但是其室温超导的压力依然需要1万大气压左右，虽然与以往氢化物的百万大气压的稳定压力相比已经有了质的飞跃，但是依然离常压环境有较大差距，还需要科学家进一步的研究将压力降至常压环境。另外，如果未来的产品依然需要几千大气压的氢气合成，那么也是不可取的。在几千大气压条件下，氢气的爆点极低，些许扰动如撞击或火花即可引爆腔体造成事故。另外，氢气分子也非常的小，并且具有氢脆效应，它能够腐蚀一般的金属，因此在存储和运输上的也具有非常大的挑战。另外，这种富氢材料通常为粉体，能否制成具有应用价值的薄膜、线材或者粉体材料依然需要人们去做进一步的探索。

（编辑：汽车网）

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