室温超导希望再现，但疑虑犹存
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：ChangQing Jin（靳常青）& David Ceperley，头图来自：视觉中国
超导体是指能无电阻传输电流的金属。在这个日益电气化的世界里，这种材料的意义是超乎想象的——只需想象电力可以传输数千公里而基本无损耗。虽然超导听起来潜力无限，但目前为止，超导态只在低温[1]或超高压[2]下实现过，无论是低温还是高压在许多应用场景下都是不现实的。出于这层原因，找到一种能在室温条件下实现超导的材料一直是材料学研究的重点。近日，Dasenbrock-Gammon等人[3]在《自然》报道了他们在这个方向上可能取得重大突破的证据。
如果一种材料进入了超导态，其电子会形成束缚在一起的库珀对（Cooper pair）。库珀对不再碰撞，因此比单独移动的单电子遇到的电阻更小。在某些材料中，晶格振动能促使库珀对的形成，因为晶格中正离子的移动会将电子聚集在一起。含氢材料特别容易出现这种配对机制，因为氢是最轻的化学元素，所以振动频率也最高。理论上[4]，这种高振动频率会使材料实现超导所需的温度升高。
1968年，物理学家Neil Ashcroft预测纯氢可以在室温下超导[5]。然而，只有当H2分子在约500吉帕斯卡（1 GPa=109 Pa）的巨大压强下解离时，氢才会具有金属性质[6]。这约是大气压的500万倍，是目前的实验手段难以达到的。Ashcroft后来提出，富氢化合物或许能比纯氢在更低的压强下实现超导，原因是其他元素会引起化学压缩[7]。
后来的实验证明，好几个多氢化物能在超过200开尔文（约比室温低93 K左右）的温度下转变为超导态。这些氢化物包括硫化氢[2]、稀土氢化物[8，9]、碱土氢化物[10，11]。但所需压强还是很高，一般都要几百吉帕斯卡。
其他材料会出现由晶格振动诱导的“非常规”超导态，以及让这些系统有别于常规系统的其他物理过程[12，13]。掺杂这种将杂质人为加入某个材料中的做法，能引起、改变或增强这些材料的超导性，将非超导态变成高温超导态。
Dasenbrock-Gammon等人报道了近室温超导的证据，他们的做法是将氢化镥中的部分氢换成氮——这能增加电荷载流子的数量。作者在2 GPa的压强下合成了这种化合物，随后再将压强降至1 GPa，并在294 K的最高转变温度下测量了一个超导相。这是在如此低的压强下记录到的最高温度（见图1）。
图1 | 寻觅高温超导体。一百多年来，研究人员一直尝试在室温和环境压力下实现超导态（零电阻）。研究人员在过去报道过多种超导体，但都需要非常低的温度。1968年，有人预测纯氢或能在室温下实现超导[5]。Dasenbrock-Gammon等人[3]报道了一种氢化物或能在294开尔文和1吉帕（109 Pa）的近环境条件下实现超导的证据。（改编自参考文献20图1，另有来自参考文献10和11的数据。）
该样品在不同压强下发生相转变时，出现了惊人的外观变化。当这个非超导金属受到压缩时，它的颜色从蓝色变成了粉色，与在171 K和0.5 GPa的条件下开始的超导态几乎同步。之后，当作者把样品压缩到1 GPa以上时，样品又回到了非超导态，颜色也变成了鲜红色。这种超导态只出现在中间压强下的粉色阶段的现象十分有趣。
Dasenbrock-Gammon等人经过多方面的测量证实了这个相确实是超导相。他们测量了电阻，并观察了样品两端的电压如何随通过样品的电流而变化。他们还测量了磁化率（样品磁化的容易度）和名为比热的热力学量随温度的变化。
这些测量数据全都一致，而且很全面。不过，作者的发现无疑将面临争议，因为该团队的研究人员曾撤回[15]了关于在含碳硫氢化物中实现高温超导的论文[14]。对该材料、其性质和合成过程的独立测量数据将有助于消除关于该结果的疑虑。
作者认为，氢的高振动频率以及来自氮的多余电荷载流子共同促成了他们测量到的高温超导态。为了验证实际情况确实如此，我们需要进一步了解该材料的组成和结构。Dasenbrock-Gammon等人利用X射线衍射技术证明了镥在他们探测到的一些相中形成了以面心立方结构排列的密集晶格。不过，氢原子与氮原子的位置无法用X射线探测到。仍需开展进一步研究理解它们的分布，这或许可以通过中子衍射技术测量。
氢和氮的浓度也是未知的。Dasenbrock-Gammon等人的结构模型显示，氢原子之间的距离为2.19埃（ångström）。这个距离有点过大了，几乎是其他具有高温超导性氢化物[16-18]的2倍，这说明作者样品中的氢含量相较于类似的超导化合物来说是很少的。
如果氮掺杂确实从一定程度上导致了超导态的产生，我们还需明确它是如何帮助将转变温度提升到这么高的。仍需开展进一步研究证实Dasenbrock-Gammon等人的材料确实为高温超导体，其次是理解这种超导态是否是由振动诱导的库珀对驱动产生的，还是由目前尚未发现的一种非常规机制所导致的。
无论是哪种机制，能在环境条件下实现超导的材料具有极其可观的前景。比如，超导材料可以制造核磁共振（MRI）所使用的强大磁铁——自半个世纪前问世以来[19]，核磁共振技术在诊断学上产生了深远的影响。这类磁铁还能用来悬浮物体——这种能力启发了高速列车的概念，通过使摩擦力最小化来节省能耗。
当前，标准的核磁共振系统由于缺少高温超导元件，需要非常昂贵的冷冻技术。而只需少量动力就能和飞机一样快的列车也仍是一种未来式畅想。也许Dasenbrock-Gammon等人的氢化物能让我们离这类技术更近一步。
参考文献：
1. Chu， C. W. Physica C 482， 33–44 (2012).
2. Drozdov， A. P.， Eremets， M. I.， Troyan， I. A.， Ksenofontov， V. & Shylin， S. I. Nature 525， 73–76 (2015).
3. Dasenbrock-Gammon， N. et al. Nature 615， 244–250 (2023).
4. Bardeen， J.， Cooper， L. N. & Schrieffer， J. R. Phys. Rev. 108， 1175–1204 (1957).
5. Ashcroft， N. W. Phys. Rev. Lett. 21， 1748–1749 (1968).
6. McMahon， J. M.， Morales， M. A.， Pierleoni， C. & Ceperley， D. M. Rev. Mod. Phys. 84， 1607–1653 (2012).
7. Ashcroft， N. W. Phys. Rev. Lett. 92， 187002 (2004).
8. Drozdov， A. P. et al. Nature 569， 528–531 (2019).
9. Somayazulu， M. et al. Phys. Rev. Lett. 122， 027001 (2019).
10. Li， Z. et al. Nature Commun. 13， 2863 (2022).
11. Ma， L. et al. Phys. Rev. Lett. 128， 167001 (2022).
12. Keimer， B.， Kivelson， S. A.， Norman， M. R.， Uchida， S. & Zaanen， J. Nature 518， 179–186 (2015).
13. Ishida， K.， Nakai， Y. & Hosono， H. J. Phys. Soc. Jpn 78， 62001 (2009).
14. Snider， E. et al. Nature 586， 373–377 (2020).
15. Snider， E. et al. Nature 610， 804 (2022).
16. Duan， D. F. et al. Sci. Rep. 4， 6968 (2014).
17. Peng， F. et al. Phys. Rev. Lett. 119， 107001 (2017).
18. Wang， H.， Tse， J. S.， Tanaka， K.， Iitaka， T. & Ma， Y. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109， 6463–6466 (2012).
19. Lauterbur， P. C. Nature 242， 190–191 (1973).
20. Gao， G. et al. Mater. Today Phys. 21， 100546 (2021).
原文以Hopes raised for room-temperature superconductivity， but doubts remain标题发表在2023年3月8日《自然》的新闻与观点版块上
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：ChangQing Jin（靳常青）& David Ceperley
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