15℃，差不多是這幾天北京的溫度。
「室溫超導(dǎo)有可能實現(xiàn)嗎？」這個問題困惑了人們許多年。而最新一期的 Nature 雜志封面研究給出了肯定的答案，該研究制造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導(dǎo)體。
這項研究從投稿到接收僅用了不到十天的時間，并登上了最新一期 Nature 雜志的封面，或可說明其重要性和突破性，畢竟實現(xiàn)室溫超導(dǎo)對于人類而言尚屬首次。
超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料在低于某一溫度時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，而這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。超導(dǎo)現(xiàn)象的特征是零電阻和完全抗磁性，這一特征也使得超導(dǎo)在現(xiàn)實中得以應(yīng)用，但它對溫度有較為嚴(yán)格的要求。那么，在非低溫條件下，能否實現(xiàn)超導(dǎo)呢？
最近，來自美國羅切斯特大學(xué)、英特爾、內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的研究者給出了肯定的答案。
「室溫超導(dǎo)問題」經(jīng)過了數(shù)十年的探索，本周來自羅切斯特大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者稱他們制造出了第一個無需冷卻即可使電阻消失的超導(dǎo)體，不過新的室溫超導(dǎo)體只能在相當(dāng)于地心壓力四分之三的環(huán)境下工作。但是如果研究者能夠讓材料在環(huán)境壓力下保持穩(wěn)定，那么理想的超導(dǎo)電性應(yīng)用就能夠?qū)崿F(xiàn)，例如用于核磁共振儀和磁懸浮列車的低損耗電力線以及不需要制冷的超功率超導(dǎo)磁體。
研究團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)者、羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家 Ranga Dias。
該研究發(fā)現(xiàn)了能夠在室溫下以最佳效率導(dǎo)電的材料，這可以說是一項科學(xué)里程碑事件。該研究發(fā)現(xiàn)，氫元素、碳元素、硫元素的化合物可在高達(dá) 59 華氏度（15 攝氏度）的溫度下作為超導(dǎo)體運行，比去年的高溫超導(dǎo)紀(jì)錄高出 50 華氏度。
劍橋大學(xué)物理學(xué)家 Chris Pickard 認(rèn)為：「這是人類科學(xué)史上的里程碑」。但加州大學(xué)圣地亞哥分校物理學(xué)家 Brian Maple 表示：「由于實驗條件極端，這項發(fā)現(xiàn)無法用于設(shè)備制造。」
室溫超導(dǎo)問題的漫漫探索之路
1911 年，荷蘭物理學(xué)家 Heike Kamerlingh Onnes 在一條汞絲中首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性，該汞絲被冷卻至 4.2K（-269 攝氏度）。
1957 年，物理學(xué)家 John Bardeen、Leon Cooper 和 Robert Schrieffer 從理論角度解釋了這一現(xiàn)象：他們提出的「BCS 理論」表明，通過超導(dǎo)體壓縮的電子會暫時使材料的結(jié)構(gòu)變形，從而在沒有電阻的情況下調(diào)換另一電子。
1986 年物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在不同的材料中，氧化銅陶瓷的超導(dǎo)性存在于更高的臨界溫度，即 Tc=30K（約 - 243 攝氏度）。
1994 年，研究人員將壓力下汞基氧化銅的 Tc 提升至 164K（約 - 109 攝氏度）。電子仍會在銅氧化物超導(dǎo)體中配對，但是其如何實現(xiàn)超導(dǎo)仍屬未知。
1968 年，康奈爾大學(xué)的理論學(xué)家 Neil Ashcroft 提出固體氫應(yīng)該具備室溫超導(dǎo)性。許多研究團(tuán)隊聲稱可以使用金剛石壓砧制造這類金屬氫，這種手掌大小的裝置將兩個氫樣本置于兩個金剛石尖端之間，在強(qiáng)壓下進(jìn)行壓縮。但是這些研究存在爭議，部分原因是壓力太大（超過地心壓力），以至于常常造成金剛石破裂。
2004 年，Ashcroft 提出將氫與另一種元素結(jié)合可能會增加一種「化學(xué)預(yù)壓縮」，從而在較低的壓力和更高的溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)性。
這一策略發(fā)揮了作用。2015 年，Mikhail Eremets 領(lǐng)導(dǎo)的馬克斯 · 普朗克化學(xué)研究所研究團(tuán)隊在 Nature 發(fā)表文章稱，在 155 GPa 高壓（地球大氣壓力的 100 多萬倍）下，H3S 結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)臨界溫度是 203K（約為 - 70℃）。
2019 年，Eremets 等人將含鑭富氫化合物的超導(dǎo)臨界溫度提升到了 250K（約 - 23℃）。但是一旦壓力釋放，所有化合物就都會分解。
碳硫氫（C-S-H）實現(xiàn)高壓下室溫超導(dǎo)
此次突破性研究的領(lǐng)導(dǎo)者 Ranga P. Dias 及其同事認(rèn)為，他們可以通過添加第三種元素碳進(jìn)一步提高超導(dǎo)臨界溫度，碳元素與臨近原子形成強(qiáng)鍵。團(tuán)隊成員之一、內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校物理學(xué)家 Ashkan Salamat 表示他們是在「蒙著眼摸索」。
他們將碳和硫元素共同碾磨而成的微小固體顆粒裝載到金剛石壓砧中，然后用管道輸入氫氣、硫化氫和甲烷 3 種氣體。接著，他們使用綠色激光照射金剛石，從而觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，將混合物轉(zhuǎn)化為透明晶體。
高壓下 C-S-H 系統(tǒng)的超導(dǎo)曲線性變化。
當(dāng)團(tuán)隊將壓力提升到 148 GPa 時，發(fā)現(xiàn)晶體的超導(dǎo)臨界溫度變成了 147K（約 - 126℃）。當(dāng)壓力提升到 267 GPa 時，團(tuán)隊實現(xiàn)了 287K（13.85℃）的超導(dǎo)臨界溫度，這相當(dāng)于較冷房間或理想酒窖的室溫。同時，磁場度量也表明樣本具有超導(dǎo)性。
外部磁場下的磁化率和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。
最終研究結(jié)果顯示，光化學(xué)轉(zhuǎn)化的碳硫氫（carbonaceous sulfur hydride, C-S-H）系統(tǒng)的超導(dǎo)臨界溫度在 267±10 GPa 下最高可以達(dá)到 287.7±1.2K（約 15℃）。
未來展望
對于 Dias 團(tuán)隊的研究，Eremets 認(rèn)為結(jié)果看起來是可信的。但是，他指出，Dias 團(tuán)隊尚未確定超導(dǎo)化合物的精確結(jié)構(gòu)。研究者將很快著手解決這個問題，并且可能也會嘗試將其他元素替換為三組分氫基混合物，從而產(chǎn)生溫度更高的超導(dǎo)體。布法羅大學(xué)的理論學(xué)家 Eva Zurek 表示：「接下來大家都會開展這方面的研究。」
Eremets 補(bǔ)充道，研究的最終目標(biāo)是找到一種壓力釋放時依然能夠保持穩(wěn)定的室溫超導(dǎo)體。如果能做到這一點，研究結(jié)果可能會改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢ias 認(rèn)為這實際上是有可能實現(xiàn)的。但是，在理論上并沒有什么辦法使氫基材料在環(huán)境壓力下工作。所以，Zurek 認(rèn)為，未來未必存在明確的前進(jìn)道路。