撰文｜王一葦

責編 | 陳曉雪

2020年10月14日，一篇關于室溫超導的論文登上了《自然》（Nature）封面，引發轟動。論文顯示，研究人員觀察到一種氫化物材料在超高壓下產生了室溫超導現象，實現溫度在15攝氏度左右。

“從來沒有人預言過這個方法（This system has not been predicted）！” 論文通訊作者、羅切斯特大學機械工程系副教授 Ranga Dias 在回復《知識分子》郵件時表示，“我們相信它會打開預測高溫超導材料研究的新途徑?！?/span>

多位同行對于這一發現給予了高度評價，認為這是人類第一次發現室溫超導現象，是 “一個里程碑”。亦有專家表示，該實驗仍是在約3/4地心壓力的超高壓條件下實現，實際應用意義不大，而研究本身創新性亦不強。

論文顯示，來自美國羅切斯特大學（University of Rochester）和內華達大學（University of Nevada）等機構的研究團隊，將微量含碳、硫、氫元素的樣本放在一個壓力儀器中，不斷增加壓強，合成了一種氫化物，并在267個GPA（吉帕斯卡，即267萬個大氣壓）的壓強下，在15攝氏度左右觀察到該化合物內的電阻消失。

實驗中使用的壓力儀器只有一顆西梅般大小，叫做 “金剛石對頂砧”，由尖端磨平的兩塊金剛石相對構成，擰緊螺絲時兩塊金剛石對中間的樣本施加壓力，壓強可達幾百萬個大氣壓。

超導實驗中使用的鉆石砧示意圖 版權歸屬Michael Osadciw

研究者先在4萬個大氣壓下用激光照射樣本幾個小時，破壞硫-硫鍵以形成硫-氫化合物，他們稱這一過程為 “光化學合成法”。

接著，研究者在實驗中逐漸增大壓強。在140萬到275萬個大氣壓這個區間里，他們觀察到了樣本的超導性。而不斷加壓的過程中，樣本超導轉變的臨界溫度也不斷提高。到了220萬個大氣壓以上，臨界溫度則開始驟然提高。最終，在267萬個大氣壓下，樣本的臨界溫度達到了接近秋日室溫的15度。

              

實驗中壓強與臨界溫度的關系，圖源論文正文

研究者通過光譜學技術測到了化合物的存在，且觀察到了高壓和臨界溫度下該化合物產生抗磁性，但并不清楚化合物本身的結構。[1]

“我們打開了一個全新領域”，論文合作作者、內華達大學助理教授 Ashkan Salamat 在接受《自然》雜志訪問時說。[2] 領域內的專家也稱贊了這一成果。猶他大學物理學副教授 Shanti Deemyad 告訴《紐約時報》，“該研究非常穩健，完成得非常漂亮?！?/span> [3] 劍橋大學材料學教授 Chris Pickard 則對《科學》雜志表示，這項研究是 “一個里程碑”。[4]

Dias表示，前述實驗過程中采用的 “光化學合成法” 是本次研究的創新之處，之前從未用在此類高壓實驗中，“這是引甲烷和硫化氫進入初始材料的關鍵，為實現非凡特性引入剛好 ‘恰當’ 數量的氫原子”，他說。

超導現象指電流能夠在材料中零電阻運動，通常需要將材料降溫到某一臨界溫度以下才能實現。自20世紀初發現超導現象到80年代，40K（零下233攝氏度）是公認常規超導體的臨界溫度上限。1986年和2008年，銅氧化物高溫超導體和鐵基超導體的相繼發現，將超導的臨界溫度提升到了100K（零下173攝氏度）以上，但相對而言溫度仍然很低，大規模實用化受限。

超導體具有零電阻和完全抗磁性，可以節約輸電過程中的熱損耗，甚至在較小的空間內實現強磁場，發展安全高速的磁懸浮列車等。如果能實現貼近我們日常使用場景的高溫超導，也就是室溫超導，意味著非常廣闊的實際應用。

對于這一超高壓下的室溫超導，也有學者表示其創新性一般。

“這是一個進展，但不是一個特別激動人心的進展?！?/span>長期研究超導材料的中國科學院物理研究所副研究員羅會仟在接受《知識分子》采訪時評論說。

他介紹，去年已有類似實驗實現了鑭-氫材料在260K（約零下13攝氏度）的超導，此次的實驗僅僅將260K提高到288K（約15攝氏度），無論實驗思路和技術都沒有新意。“為什么大家愿意關注它，因為這個論文的標題寫了常溫超導，大家心目中室溫的指標是300K（約27攝氏度），已經很接近了。心里有個愿景，很靠近的時候就覺得很重要?！?/span>

另外，羅會仟表示，此次實驗使用的氫化物材料并非獨創。早在2015年，德國物理學家米哈伊爾·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）團隊宣布，硫化氫在220萬個大氣壓的條件下，在203K（約零下70攝氏度）會出現超導電性。在《紐約時報》10月14日的采訪中，Dias 也表示，埃雷梅茨的這項研究是 “改變游戲規則的奠基之作（the game-changing paper that sort of set the tone）”。[3]

2019年，埃雷梅茨再次宣布，鑭-氫化合物（LaHx）在150萬個大氣壓下可以在215K（零下58攝氏度左右）變成超導。同年，美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）團隊實現了190 萬個大氣壓下鑭-氫化合物（LaH10）在260K出現超導電性。羅會仟介紹，其所在的中科院物理所也在本月重復了這一結果，并改進了方法。

埃雷梅茨也對此次論文的工作給出了評論，認為其提供了 “高溫超導的有力證據”，也證明了他自2015年開始的一系列研究的正確性。[2] 但他同時表示，壓強越大，能得到的樣本量就越少，目前連所得化合物的結構和化學式都不清楚，“要做的事情還有很多?！?/span>

此次實驗中，研究者向硫化氫和氫氣混合材料中加入甲烷，引入了碳元素。羅會仟表示，此次實驗中碳元素的加入確實提高了溫度，但并非獨家創新。“大家早就意識到，往里面加新元素等可能提高到一個更高的溫度，理論上也都算過，只是實驗實踐起來比較困難?！?/span>

羅會仟說，高壓下，此類實驗的操作和測量困難都非常大，一般此類實驗得到的數據質量都不太好。“怎么把原料裝進樣品，怎么合成這個結構的材料，怎么在高壓下測量電磁特性，都是非常困難的?！?/span>

但據他觀察，此次實驗的數據質量非常好?！安粌H有電阻數據、磁化數據、Raman 光譜數據，這么高壓力下能做的測量幾乎都做了，數據有點出奇得好?！?他提到，索馬亞祖魯團隊今年6月份已經宣布在鑭-氫化合物中加入氮和硼元素，使臨界溫度達到550K（約276攝氏度），遠遠高于此次報道的超導溫度，但其數據質量沒有那么好，所以至今尚未正式發表。

2017年，Dias 還在哈佛任博士后時，曾與導師 Isaac Silvera 發表論文，宣稱制備出了金屬氫，一種高溫超導體。但該實驗遭到了多位同行學者的質疑，[5] 目前并未有研究者能夠重復該實驗的結果，而 Silvera 和 Dias 在論文發表一個月后表示，其制備的金屬氫在一次實驗事故中消失了。[6]

Dias就此回應，團隊研究該方向多年，“使我們能夠測量如此高質量的數據并提供令人信服的測量的部分原因是，主要的材料合成都是在非常低的壓力下進行的，而其他方法需要在非常高的壓力和溫度下進行（這是非常不受控制的）?！?/span>

他還表示，實驗的重復性很好，團隊已多次重復。

中科院高能物理研究所研究員徐慶金則評論：“這項成果對研究超導機理來說可能具有一定意義，但對于應用來說，材料制備或使用過程中，需要如此高壓環境，其難度及經濟成本要比獲取低溫條件高昂得多！理想的實用化超導材料，需要臨界溫度及壓力等都接近自然條件，才能大幅度降低成本、拓展其應用范圍。單純追求臨界溫度接近室溫，但反而需要與低溫相比難度及代價更高的極端壓力條件，這樣的超導材料，沒有實際的應用價值?！?/span>

徐慶金表示，“這次研究人員創造出的常溫超導材料，是在2670億帕壓力條件下實現的，這一壓力目前只能在接近地球中心的極高壓力下存在，而且，他們在金剛石壓腔中產生超導現象的材料數量，是及其微量的，只能用皮升來表示（1 皮升大約是 10^-9毫升），這都意味著這一材料不會立即有任何實際應用?！?而在 Science 雜志10月14日的報道中，加州大學圣地亞哥分校教授 Brian Maple 也表達了相似的觀點。[4]

Dias 則認為，自己團隊研究的意義不止于此。“這是在室溫下首次實現這種量子態，在三元混合態下的實現也是主流理論的重大突破?！?/span> Dias說，“在科學社區共同尋找降低室溫超導壓力的過程中，我們的工作憑空而出（our work has come completely out of the blue），并在成分領域中開辟了廣闊的新前景。我們希望這對于那些尋求超高溫超導材料的人來說是一個驚喜。”