高温超导体的突破，高温超导体的发现历史与现状

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1、高温超导体的突破，高温超导体的发现历史与现状

一项新纪录，今天轰动整个物理界。

在15℃温度下，竟然也能观察到超导现象！

这就是来自罗切斯特大学的最新研究，他们设计出了一种新型氢化物，可以在这般「高温」下，无任何电阻地导电。

科学家发现，这种由氢-硫-碳组成的材料，在巨大的压力（大约是地球核心的75%）下，室温时就能转变成超导体。

这也是人类发现的第一种室温超导体。

今天，Nature也以封面的形式对其报道，意义之重，可见一斑。

西班牙巴斯克大学凝聚态物质理论家 Ion Errea认为：

这是第一次真正声称发现了室温超导现象。

剑桥大学的材料科学家Chris Pickard评价道：

这显然是一个里程碑。

首个室温超导体

来自罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起，然后在超高压下让整个混合物重新组合。

他们选择了硫化氢（一种臭鸡蛋气味气体）和甲烷（天然气主要成分），将这两种物质与铂电极一起放在金刚石砧中。

金刚石砧是两个“尖对尖”金刚石，在二者之间可以产生巨大的压力，可以达到几百万个大气压。

当压力超过4万个大气压时，研究人员用绿色激光照射数小时，破坏硫-硫键，从而形成硫-氢化合物。

在175万个大气压下，样品冷却至-93°C就会发生超导转变。如果继续增加压力，超导转变的临界温度会不断提高。

当到达到267万个大气压时，只需把样品降低至15°C，就能看到电阻消失。

除了电阻为零外，科学家还发现了另一些超导的证据，比如在转变温度下，这种物质屏蔽了磁场，这是超导体一项重要特征。

为了寻找这种室温超导化合物，他们用废了几十对金刚石砧，每一对的价格3000美元。论文通讯作者Ranga Dias说：“我们研究的最大问题就是金刚石预算。”

金刚石砧产生的超导材料数量极少，大约是单个喷墨颗粒的大小。而且这种超导材料不够稳定，只要放置过夜就会分解。

超高压条件以及不稳定的性质，意味着这种室温超导体难以有实际性质，但这却是人类发现的第一种室温超导体，探索超导体100多年的道路上具有里程碑意义。

应用广泛的超导体

超导体（superconductor），是指在低于某一温度时，电阻为零的导体。

超导现象是在100多年前，由荷兰物理学家昂内斯发现。他把汞降低到4.2K（约零下269度）时，发现汞的电阻突然消失，因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。

除了「零电阻」外，它还具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特点。

完全抗磁性，又称迈斯纳效应，能让超导体内部的磁感应强度为零，及超导体排斥体内的磁场。这种特性最大的用途是用来做磁悬浮。

磁通量量子化，又叫做约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。

超导体中的磁通量量子化可以用来制造超导计算机。

除了这些高大上的设备，我们的日常生活也离不开超导体，比如医院里的核磁共振成像，还有手机信号基站也需要超导体来制造滤波器。

然而，超导体的低温限制，成了它的阻碍它应用的最大局限。

直到1987年，美籍华裔物理学家朱经武发现了液氮（77K）温区的“高温超导体”钇钡铜氧，才让超导体应用更加广泛。

但科学家们希望能够找到一种无需冷却，在室温下即可使用的超导体。

这也正是此次发现能够引起如此反响的原因——是科学家们苦苦探寻了几十年的一种超导体，提高温度意味着不需要复杂的冷却设备。

要知道，此次的研究要比去年的最新进展足足高出了30多摄氏度。

除了高温这个局限性外，还有就是高压。

超导体只能在极高的压力下存活，相当于接近地球中心的压力，相当于马里亚纳海沟压力的40倍。

因此，也正如研究作者所说，这意味着它不会有任何直接的实际应用。

尽管如此，物理学家们仍然希望，这个超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路。

5年追梦成真

5年前的德国物理学家的发现为找到室温超导体敲开了大门。

要知道为何氢-硫-碳会成为室温超导体，我们先介绍一下超导的原理。

在正常状态下，电子以个体形式运动，碰撞到原子就会产生电阻。

而在超导体中，两个电子会配对形成所谓“库珀对”（Copper pair）。一旦电子结伴，它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体，让电阻彻底消失。

库珀对的形成可以这样通俗理解：

当带正电的原子被电子吸引后，就会聚集起来，这里正电荷多一点，自然会吸引别的电子过来，这两个电子即完成配对。

显然原子质量越重，就越难被电子吸引，电子也就越难形成库珀对，因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢。

但问题是，常压下固态氢中没有自由电子。只有高压改变固态氢的结构，让氢释放出电子，才有可能形成库珀对。此时氢变成了一种金属状态——金属氢。

△ 木星内部可能存在金属氢

1968年，康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测，金属氢在常温下应该是超导体。

然而，要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了，以现有实验室条件难以达到，倒是木星内部有可能满足这样的条件。

△ 科学家用高压制备出金属氢

2017年，哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢，但压力不足以让其变成超导体。

Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上，这类化合物获取能在稍低的压力下变成超导体。

但添加多少比例的氢是个技术活。如果添加太少，化合物就不会像金属氢那样超导。如果添加太多，那么化合物超导所需压力太大，实验室里难以达到。

终于在2015年，德国科学家Eremets发现，一种氢和硫的化合物在-70℃时转变成超导体。

2018年，同样是Eremets的团队发现了冰箱温度下的超导体氢化镧，这种物质在-23℃、170万个大气压下变成超导体。

作者、团队介绍

这项研究的团队，来自罗切斯特大学。

△Ranga Dias

Ranga Dias，是这次研究的通讯作者，本科就读于科伦坡大学，攻读的是物理和数学专业。

2007年， Dias搬到美国华盛顿，开始了他的博士工作，领域聚焦在极端凝聚态物理领域，专攻简单分子系统中的超导和绝缘体金属过渡。

△Nathan Dasenbrock-Gammon

Nathan Dasenbrock-Gammon，本科就读于在北肯塔基大学，目前是罗切斯特大学物理学专业的博士一年级学生。

△Ray McBride

Ray McBride，是罗切斯特大学的一名研究生，正在攻读机械工程硕士学位。2018年，我获得了SUNY Geneseo的物理学学士学位，担任过导师和实验室讲师。

超导体若是能够在日常生活中应用起来，对人们的生活影响肯定是巨大的。

当然，这条路是「道阻且长」，虽然已经翻过了一座大山，但还有诸多问题待解决。

对此，作者也表示了他们研究的下一步：

制造无需高压力、稳定的高温超导体。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/

— 完 —

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2、高温超导体的发现历史与现状

高温超导体在材料科学和物理学领域具有重要意义。它的发现和产生的现象激发了对新型超导材料的研究。

发现历史：

传统超导体： 超导现象自1911年被荷兰物理学家海克·卡梅林·奥内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现以来，一直被认为是低温下的奇特现象。传统超导体主要包括金属和金属化合物，例如铅、镉、硫属化铅和镧（La）等。超导临界温度（Tc）对于这些材料通常很低，在低于20K的范围内。

高温超导体的发现： 1986年，瑞士的物理学家约汗·贝德诺斯（Johannes Georg Bednorz）和卡尔·亚历山大·穆勒（Karl Alexander Müller）在研究一种新型氧化物陶瓷材料（一种钙铜氧化物）时，在该材料中观察到具有高温超导性。这种材料在温度高达35K时表现出超导性，这被认为是一次实质性突破。两位科学家因这一对超导性的突破性研究而获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

现状：

高温超导材料的研究： 自高温超导材料的发现以来，研究者们致力于研究这些材料的物理学性质，特别是过渡金属氧化物。材料科学家和物理学家尝试通过探索新的化合物、元素置换和掺杂方法来获得具有更高超导临界温度的材料。目前已知的高温超导体主要包括：钙铜氧化物（cuprate）高温超导体、铁基高温超导体和镧硫代物（MgB2）等。

对高温超导现象的理解： 尽管高温超导现象在实验上取得了显著进展，但其理论解释和机制仍然饱受争议。这与BCS理论（为低温超导材料提供了成功的理论框架）不同，目前针对高温超导性的理论仍然未达成一致。研究者尝试通过对超导现象进行多种物理解释，探讨高温超导机制。主要假设涉及电子对称偶（polarity pair）、动量空间上的电子对偶、拓扑描述和频谱性质等。

高温超导技术的应用： 高温超导性为电力和电子设备的发展带来了革命性的潜力。在一些重要应用中，包括磁浮列车、医学核磁共振设备、高能粒子物理实验、低噪声精密测量设备以及电力传输、能源存储等方面，高温超导技术都展示着巨大的应用前景。然而，实际应用中仍然存在许多挑战，包括制作过程中的不稳定性、技术要求高、经济成本等。尽管如此，许多研究及其项目都将对高温超导技术的应用作为长期目标。

总之，高温超导体的发现推动了固体物理学和材料科学的发展。虽然对于这类材料超导性质理论解释尚未完全明确，但它们在多个技术领域具有巨大的应用潜力。

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