1911年，人們首次在4.2K（溫度單位開爾文，約等于零下269度）的臨界溫度之下，觀察到了固態(tài)汞的超導(dǎo)性，讓汞得以在沒有任何阻礙的狀態(tài)下進行導(dǎo)電。從那以后，無數(shù)科學家一直試圖找到臨界溫度能超過室溫的材料。但這似乎是一件很難實現(xiàn)的事，如果對從1911年到1970年的研究進展進行線性外插，那么就會得出——臨界溫度將在2840年左右才能達到室溫的結(jié)論！

在銅氧化物中發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)性將臨界溫度提高到了液氦的溫度以上。自1994年以來，一種銅氧化物一直保持著最高臨界溫度記錄，其溫度值在大氣壓強和高壓下分別為133K和164K。

盡管進行了大量研究，但科學家仍用了20年的時間才打破這一記錄：2015年，人們發(fā)現(xiàn)當硫化氫（H?S）被壓縮到150GPa（約為地球核心壓力的40%）時，就會發(fā)生超導(dǎo)相變，其臨界溫度臨界溫度為203 K（約零下70度）。

○ 人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的歷史（截至2015年），縱軸為臨界溫度，橫軸為年份。藍色菱形：銅氧化物，右上角的綠色圓圈：硫化氫。| 圖片來源：Pia Jensen Ray

最近，兩個獨立的研究團隊（分別由喬治華盛頓大學的 Russell Hemley和馬克斯·普朗克化學研究所的Mikhail Eremets帶領(lǐng)）通過實驗發(fā)現(xiàn)，一種氫化鑭（LaH??）在被壓縮到170-185GPa時的臨界溫度能達到250-260K。這項結(jié)果對于尋找室溫超導(dǎo)體來說是個好兆頭，這意味著在北極普通的冬日夜晚，這種材料不需要冷卻就能展現(xiàn)出超導(dǎo)性！

1968年，物理學家Neil Ashcroft根據(jù)BCS理論（由巴丁、庫珀和施里弗于1957年提出，該理論認為移動電子會形成“電子對”，在晶格中可以無損耗的運動，就會形成超導(dǎo)電流）預(yù)測，金屬氫應(yīng)該具備高溫超導(dǎo)所需的所有特性。可惜在靜態(tài)壓縮實驗中，氫的金屬化是極為困難的。

○ 當氫氣被充分壓縮，經(jīng)過相變后會生成金屬氫，金屬氫中的電子脫離分子軌道，表現(xiàn)為一般金屬中的自由電子。木星、土星這一類氣態(tài)巨行星的內(nèi)部可能含有大量的金屬氫（圖中木星的灰色部分）。| 圖片來源：NASA/R.J. Hall

Ashcroft還進一步預(yù)測，與元素氫相比，某些富含氫的固態(tài)物質(zhì)或許可以在更低的壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，而且它們將具有同樣的有助于高溫超導(dǎo)的性質(zhì)。這加速了對壓縮氫化物（氫原子與其他元素結(jié)合形成的固體）中的超導(dǎo)性的搜尋。

為了研究這些壓縮材料的超導(dǎo)性，研究人員需要進行靜態(tài)高壓實驗，將材料擠壓到金剛石壓砧（DAC）中。這樣的實驗代價高昂，在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，而且很難進行解讀。更重要的是，能穩(wěn)定存在于高壓下的材料相與在大氣條件下是不同的。因此，基于量子力學所進行的計算對指導(dǎo)這些實驗來說就變得極其重要，特別在確定有前景展現(xiàn)出超導(dǎo)性的化合物方面。

○ 左：金剛石壓砧方案被用于研究LaH??在靜態(tài)高壓下的行為。右：Hemley和Eremets兩個團隊觀察到的LaH??籠狀晶體結(jié)構(gòu)的草圖，這種結(jié)構(gòu)被認為是其高溫超導(dǎo)性的原因。| 圖片來源：APS/Alan Stonebraker

在過去十年里，這些理論和計算技術(shù)都集中在二元氫化物上。對于含有堿土金屬或稀土金屬的氫化物，研究人員計算得出了極高的臨界溫度值，有些甚至超過了室溫。例如，2017年的時候，Hemley和馬琰銘帶領(lǐng)的研究小組預(yù)測，在金剛石壓砧可達到的壓力下，某些含氫元素比重較大的稀土金屬氫化物將變得穩(wěn)定。

這些富含氫的材料的晶體結(jié)構(gòu)類似于所謂的籠形復(fù)合物的籠狀結(jié)構(gòu)。氫化鑭是最有前景的氫化物之一，它是由正方形或六邊形的多面體組成的氫晶格，每個多面體的中心都有一個稀土金屬原子。假設(shè)這個系統(tǒng)可以用BCS理論描述，研究人員預(yù)測，在大約200GPa的壓力下，它的臨界溫度會介于270到290K之間。

在2018年初，Hemley的團隊成功合成了LaH??。現(xiàn)在，Hemley和Eremets的團隊已經(jīng)報道了在金剛石壓砧內(nèi)的極端壓力下，LaH??所具有的超導(dǎo)性的實驗特征。為了在微米級的LaH??樣品內(nèi)部準確測量其電阻，兩組研究人員都必須確保樣品和電極之間的良好接觸，并且還要控制樣品的組成和條件，例如防止其形成額外的物相。

Hemley的團隊開發(fā)了一種新型的合成技術(shù)，他們以硼烷氨（NH?BH?）為氫源對LaH??進行原位合成。當樣品在185GPa的壓力下冷卻時，他們觀察到顯著的電阻降低現(xiàn)象，這表明260K是它的臨界溫度。第二組實驗表明，在200GPa的壓力下，臨界溫度可以達到280K。X射線衍射測量表明，超導(dǎo)相可能是LaH??，并排除了電阻下降是由溫度誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變引起的可能性。

Eremets的團隊通過元素鑭或三氫化鑭（LaH?）與氫的直接反應(yīng)來合成鑭氫化物。他們觀察到了電阻的急劇下降，由此得出臨界溫度與壓力的關(guān)系。LaH??的最高臨界溫度大約為250K，這是在大約170GPa的壓力下測得的結(jié)果。另一種未被識別的氫化物的相與LaH??共存于同一樣品中，它的臨界溫度為215K。

Eremets的團隊還觀察到了超導(dǎo)性的兩個特征痕跡：首先，施加磁場降低了臨界溫度，這符合對第二類BCS超導(dǎo)體的預(yù)期狀況；其次，臨界溫度表現(xiàn)出所謂的同位素效應(yīng)——當氫被較重的氘取代時，臨界溫度會降低。

這些數(shù)據(jù)都強烈暗示了超導(dǎo)性，但要想確鑿疑問地證明超導(dǎo)性，還必須要觀察邁斯納效應(yīng)——當一種材料從一般狀態(tài)相變至超導(dǎo)態(tài)時，對磁場產(chǎn)生的排斥現(xiàn)象。然而，測量邁斯納效應(yīng)是非常困難的：以之前的最高臨界溫度記錄保持者——硫氫化物為例，它的邁斯納效應(yīng)是在超導(dǎo)性被首次報告的幾年之后才最終得以證明。由于鑭氫化物樣品明顯小于硫氫化物樣品，因此要證明LaH??的邁斯納效應(yīng)將需要大量的實驗工作。

要識別樣品中包含的多種晶格還需要進一步的理論和實驗研究。數(shù)據(jù)表明，其中一種晶格極有可能是LaH??，但其他結(jié)構(gòu)是什么仍是未知。這些信息對于理解晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性之間的關(guān)系至關(guān)重要，或許還有助于揭示可能具有更高臨界溫度的新的超導(dǎo)相。LaH??的高臨界溫度必然會鼓舞實驗人員對類似系統(tǒng)的研究，氫化釔就是一種可能，據(jù)預(yù)測，它的臨界溫度可超過室溫。

在超導(dǎo)領(lǐng)域，大多數(shù)突破都是出乎意料的，它往往違背當時的傳統(tǒng)智慧。氫化物的例子表明，情況可能不再如此：我們可以通過理論計算來合理設(shè)計高臨界溫度的BCS超導(dǎo)體新材料。計算技術(shù)的進步將使我們有可能找到其它的復(fù)雜材料類型，與LaH??等二元氫化物不同，它們在解壓時可能仍能保持穩(wěn)定。而用于晶體合成與表征的新技術(shù)將能使我們對理論想法進行實驗驗證。

多虧了這種理論和實驗之間的反饋回路，我們可能很快就能夠制備出一種超導(dǎo)體，它可以在接近室溫的條件下，在比金剛石壓砧簡單得多的設(shè)備（比如將粉末壓縮成藥片的壓力機）內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)的壓力下，表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。

撰文：Eva Zurek

原文標題為“Pushing Towards Room-Temperature Superconductivity”，首發(fā)于2018年1月14日的APS Physics。原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v12/1。中文內(nèi)容僅供參考，略有增刪，一切內(nèi)容以英文原版為準。

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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