首次实现室温超导

纽约的一组物理学家发现了一种在室温下以完美效率导电的材料-这是人们长期寻求的科学里程碑。该研究小组今天在“自然”杂志上报道，这种氢、碳和硫化合物在华氏59度的温度下作为超导体工作。这比去年创下的之前的高温超导纪录高出50多度。

西班牙巴斯克国家大学的凝聚态理论家Ion Errea没有参与这项工作，他说：“这是我们第一次可以真正宣称发现了室温超导电性。”

“这显然是一个里程碑，”剑桥大学材料科学家克里斯·皮卡德(Chris Pickard)说。“那是个寒冷的房间，可能是英国维多利亚式的小屋，”他在谈到59华氏度的温度时说。

然而，在研究人员庆祝这一成就的同时，他们强调，这种新发现的化合物-由罗切斯特大学(University Of Rochester)的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)领导的一个团队发明-永远不会进入无损输电线、无摩擦高速列车，或者任何可能变得无处不在的革命性技术，如果超导背后的脆弱量子效应能够在真正的环境条件下保持下去的话。这是因为这种物质只有在室温下超导时，才会在一对钻石之间被挤压到与地核中发现的压力大约75%的极限。

皮卡德说：“人们一直在谈论室温超导。”“他们可能没有意识到，当我们这么做的时候，我们会在如此高的压力下这么做。”

材料科学家现在面临的挑战是发现一种超导体，它不仅可以在常温下工作，而且还可以在日常压力下工作。这种新化合物的某些特性带来了希望，即有朝一日可以找到合适的原子混合物。

当自由流动的电子撞上构成金属的原子时，正常导线就会产生电阻。但研究人员在1911年发现，在低温下，电子可以在金属的原子晶格中诱发振动，这些振动反过来将电子吸引到一起，形成被称为库珀对的对。不同的量子规则支配着这些对，它们以连贯的群体流动在一起，畅通无阻地穿过金属的晶格，没有经历任何阻力。超导流体还会排出磁场-这种效应可以让磁悬浮车辆无摩擦地漂浮在超导轨道上。

然而，随着超导体温度的升高，粒子会随机晃动，打破电子微妙的舞蹈。

研究人员花了几十年的时间寻找一种超导体，这种超导体的库珀探戈配对足够紧密，足以承受日常环境的高温。1968年，康奈尔大学(Cornell University)的固态物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)提出，氢原子晶格可以做到这一点。氢的微小尺寸让电子更接近晶格的节点，增强了它们与振动的相互作用。氢的轻盈还允许引导涟漪的振动更快，进一步加强了将库珀对粘合在一起的胶水。

需要不切实际的高压才能将氢压入金属晶格。尽管如此，阿什克罗夫特的工作提高了人们的希望，即某种“氢化物”--氢和第二种元素的混合物--可能会在更容易接触到的压力下提供金属氢的超导电性。

进展在本世纪头十年开始取得，当时超级计算机模拟让理论家能够预测各种氢化物的性质，而紧凑的钻石砧板的广泛使用让实验者挤走了最有希望的候选者来测试他们的勇气。

突然，氢化物开始创造纪录。德国的一个研究小组在2015年发现，一种金属形式的硫化氢-在腐烂的鸡蛋中发现的一种刺激性化合物-在−94华氏度的温度下超导，压力是大气压的1.5倍。四年后，同一实验室使用氢化镧在180万大气压下达到−10度，尽管另一个小组发现了同一化合物在8度时具有超导电性的证据。

迪亚斯在罗切斯特的实验室现在已经打破了这些记录。在直觉和粗略计算的指导下，研究小组测试了一系列氢化合物，以寻找氢的金发女郎比例。加入太少的氢，化合物的超导性就不会像金属氢那样强劲。加入太多，样品的行为会太像金属氢，只有在会使钻石砧座破裂的压力下才会金属化。在他们的研究过程中，研究小组破获了数十对价值3000美元的钻石。“这是我们研究的最大问题，钻石预算，”迪亚斯说。

获胜的配方被证明是2015年配方的即兴表演。研究人员从硫化氢开始，加入甲烷(一种碳和氢的化合物)，然后用激光烘焙这种混合物。

迪亚斯的合作者、内华达大学(University Of Nevada)凝聚态物理学家阿什坎·萨拉马特(Ashkan Salamat)说，“我们能够丰富这个系统，引入恰到好处的临界量的氢，这是在非常高的温度下维持这些库珀对所需的。”

但是，他们所炮制的氢-碳-硫药水的细微细节却让他们望而却步。氢太小了，无法在传统的晶格结构探针中显示出来，所以这个小组不知道原子是如何排列的，甚至不知道物质的确切化学式。

伊娃·祖雷克(Eva Zurek)是布法罗大学(University At Buffalo)的一名计算化学家，她属于与迪亚斯实验室关系松散的一群理论家。今年早些时候，他们预测了在钻石砧板之间可能形成的一种金属应该超导的条件，并发现了不同的行为。她怀疑是高压把迪亚斯的物质变成了一种未知的形式，其超导电性特别强。

一旦迪亚斯的团队能够弄清楚他们手上到底有什么(他和萨拉马特说细节很快就会出来)，理论家们将建立模型，探索赋予这种氢-碳-硫混合物超导能力的特征，希望进一步修改配方。

物理学家已经证明，大多数两元素氢混合是死胡同，但新的三元素混合标志着进入复杂嵌合体材料领域的潜在重大进展。对一些人来说，其中一个因素似乎特别有希望。

德国马克斯·普朗克化学研究所(Max Planck Institute For Chemical)的实验学家米哈伊尔·埃雷米茨(Mikhail Eremts)说，“我喜欢这项工作的地方是：它们将碳带入系统。”他的实验室创造了2015年和2019年的氢化物纪录。

他解释说，氢的轻量并不是增强将电子引导成库珀对的振动的唯一方式。晶格中相邻原子之间更强的连接也起到了帮助作用，他说，“碳具有非常强的共价键。”带有碳框的材料可以带来额外的好处，防止整个组装在人类感到舒适的低压下倒下。

祖雷克对此表示同意。她说：“我认为房间压力会非常具有挑战性。”“但如果我们能将碳化合物纳入其中，我认为这就代表了一条前进的道路。”