百年超導路，今朝抵室温_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-02-05 13:50
2020年10月，來自美國的研究團隊在超高壓下首次實現了室温超導，臨界温度約15℃。這項成果令物理學界振奮，也是2020年最振奮人心的科研成就之一，甚至被認為是超導研究乃至物理學史上的一次里程碑事件。《返樸》曾刊發了多篇超導研究相關的文章，這篇文章則是通過對超導研究歷史的梳理，通俗地講述物理學家如何一點點突破臨界温度，實現百年前立下的目標。那些人與故事，激動人心。
撰文 | 瞿立建
發現超導
1904年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853年9月21日－1926年2月21日）在萊頓大學建立了一個大型低温物理實驗室。
1908年7月10日，昂內斯的實驗室從早晨五點半一直忙活到晚上九點半，在下午六點半到時候，實驗室人員見證了物理學歷史性的發現，氣體氦變成了液體氦，並創造了人造低温的新紀錄——4.2K（K表示開爾文，是温度的國際單位，減去273就是我們日常生活中用的攝氏度，即4K就是零下269攝氏度。）隨後的日子裏，昂內斯實驗室繼續降低温度，最終獲得了1.5K的紀錄。昂內斯獲得了綽號“絕對零度先生”，還憑藉此項研究獲得了1913年諾貝爾物理學獎。
昂內斯沒有再繼續挑戰低温紀錄，轉而開始研究如何利用和存儲液氦。三年後，他可以比較自如地控制液氦了，便開始研究低温下物質的性質。
1911年春，昂內斯加入到低温下金屬電阻的研究中。當時，有物理學家認為電阻隨温度降低而一直降低，最終趨近於零；還有物理學家認為，温度接近0K的時候，電子被完全凍住，電阻將是無窮大；還有物理學家猜想，隨着温度越來越低，電阻逐漸趨近於一個定值，不再隨温度變化。昂內斯決定用實驗解決爭議。
昂內斯判決性的實驗完成於1911年4月8日，他測量了水銀的電阻隨温度的變化曲線。實驗在早上7點開始，下午4點整，實驗出現了一個連他自己都無法相信的結果——在4.2K的温度下，水銀的電阻突然消失了！
水銀的電阻隨温度下降不是增大，而是減小，但不是逐漸減小，而是到某個温度的時候，突然降到零！
顯然，水銀在4.2K温度下，進入了一種新物態，昂內斯稱之為“超導態（supraconductivity）”，電阻突然變為零時的温度叫做超導臨界温度。
昂內斯知道，他發現的超導不僅是一個奇異的物理現象，還具有商業潛力：如果將來用超導電線輸電，電能傳輸損耗接近於零，也不需要用高電壓了，還能節省大量導線和絕緣材料。總之，輸電將變得很便宜。
前提是找到能在常温下工作的超導材料。
升 温
昂內斯實驗之後，物理學家拿各種金屬放在低温下實驗，觀察有沒有超導現象，臨界温度是多少。一直努力到1930年代，人們找到的超導臨界温度最高的金屬元素是鈮，還不到10K。
自1930年代開始，超導理論研究開始取得顯著進展。1957年，超導的完整的微觀理論終於出爐。這個理論以三個提出者的姓氏的首字母命名，稱為BCS理論。（參見《超導研究的歷史與挑戰：曾經輝煌，今路在何方？》）
實驗研究者繼續努力，1930年後開始研究金屬的碳化物、氮化物以及金屬間化合物的超導電性。到1973年，超導臨界温度才僅僅提高到了23K。當時，有人做了一個圖，縱座標是臨界温度，橫座標是年份，擬合出一條直線，根據此直線，室温超導將在2840年實現。
1968年，美國物理學家威廉·麥克米蘭（William L. McMillan，1936年1月13日-1984年8月30日）根據BCS理論得到超導體臨界温度上限的公式，將公式外推到極限情況，得到最大超導體臨界温度約是30-40K，也就是所謂的麥克米蘭極限。
真是令人喪氣的預言。
好在這個預言後來幾年後被打破了。
1986年6月，IBM公司瑞士蘇黎世研究院的兩位科學家，德國人約翰內斯·柏諾茲（Johannes Bednorz，1950年5月16日－放017）和瑞士人卡爾·繆勒（Karl Müller，1927年4月20日－），報道了一種全新的超導材料——一種銅氧化物陶瓷材料，臨界温度35K，他們一下子把超導臨界温度提高了50%。這一發現立即引起超導界的跟進。美國休斯頓大學的華裔物理學家朱經武領導的研究組迅速重複並證實了蘇黎世實驗室的發現，還找到一種超導臨界温度高達93K的銅氧化物陶瓷材料。93K，這是超導研究劃時代的突破，超導實驗不必再用昂貴的液氦，可以使用相對低廉的液氮了。
是麥克米蘭錯了嗎？不是，而是新發現的這一類超導體具有全新的機制，超出BCS理論適用範圍。
美國物理學會（APS）年會是物理學家的盛會，每年3月舉行。1987年3月18日的會議日程頗不尋常，主辦方在那天安排了51場有關高臨界温度超導的演講，其中最引人注目的演講者就是繆勒和朱經武。會議定於晚上七點半開始，開始前兩小時就有人排隊，最後排隊者有2千餘人。會議室的門一打開，物理學家們毫無風度地一擁而入，瞬間擠滿了會議室。未能擠入會議室的人，在酒店找閉路電視觀看。會議一直進行到凌晨3點才結束。會議結束後，物理學家們仍沒有退場的意思，依然熱烈地討論着，直到天亮，人羣才散盡。
這是學術會議史上最熱烈的學術研討，熱烈程度堪比搖滾音樂節，因此這次會議被稱為“伍德斯托克物理大會（Woodstock of physics）”，伍德斯托克指的是1969年一次火熱的搖滾音樂節，是流行音樂史上最盛大的音樂節之一。（據説美國人對1969年的回憶只有兩件事，一件是阿波羅11號成功登月，另一件就是伍德斯托克音樂節。）
物理盛會結束了，但超導競賽進行得更如火如荼了——超導臨界温度在多個研究組下相繼攀升。這次超導競賽中，中國科學家趙忠賢領導的課題組在極端落後的實驗條件下，夜以繼日的工作，取得多項研究成果，尤其是首先發現了臨界温度100K以上超導體，為中國超導科學贏得世界性的聲譽。
1993年，銅氧化合物超導臨界温度提高到了134K。向銅氧化合物加高壓，朱經武創造了165K的紀錄。被寄予厚望的銅氧化合物超導臨界温度向室温前進，卻半途而止。
2008年，日本科學家發現超導臨界温度超過40K的含鐵的化合物，即鐵基超導體。中國科學家迅速跟進，並將超導臨界温度提高至55K，在極短的時間內吸引了全世界超導學者的目光，再次為中國超導科學贏得聲譽。
鐵基超導體具有豐富的物理性質和有潛力的應用價值，但它的臨界温度距離室温依然非常遙遠。值得一提到是，大量鐵基超導體系由中國科學家所發現，尤其是高臨界温度體系。
超導臨界温度發展史總結在下圖中：
林林總總這些材料是怎麼找到的？
常用方法是，把已知的超導材料中的一種或幾種元素替換成其他元素，測新材料的超導臨界温度。拿鐵基超導體舉個例子，中國科學家迅速起步的方法就是把日本科學家發現的材料中的稀土元素鑭（La）替換為其他稀土元素，如鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、釓（Gd）、釤（Sm）等。根據鐵基超導材料基本組合規則(鹼金屬或鹼土金屬+稀土金屬+過渡金屬+磷族元素+氧族元素)，粗略估計其家族成員數目有3000多種，真是蔚為壯觀，研究鐵基超導體，無失業之虞。
難道超導材料研究就指望運氣和蠻力嗎？
不是的，新一類超導材料——氫化物走出來一條新路，理論計算開路，實驗後續跟上。
算出超導
在超導競賽中，臨界温度的提高都來自實驗上的突破，但當實驗陷入瓶頸時，過去的理論又發展出了新進展，豐富了物理學家的武器。美國康奈爾大學的理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft, 1938年11月27日-）早在1968年就在理論上預言 (Phys. Rev. Lett. 1968, 21, 1748)，金屬氫會有較高的超導臨界温度，只不過需要加上500萬倍大氣壓的壓強。
阿什克羅夫特之後幾十年裏繼續他的理論研究，並在2004年提出 (Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 187002)，富含氫的化合物，如甲烷、甲硅烷、氨氣等，成為高臨界温度的超導體所需壓強可以比金屬氫低很多。
可惜，實驗令人失望，與阿什克羅夫特的預言有不小的差距。
最早做出靠譜預言的科學家之一是我國吉林大學馬琰銘教授，他領導的研究組預言硫化氫在高壓下可變為高臨界温度的超導體（J. Chem. Phys. 2014, 140, 174712），這一預言在2015年被德國科學家所證實(Nature 2015, 525, 73)，在150萬倍大氣壓強下，温度低於203K，即零下70攝氏度，硫化氫變成超導體，創造了超導臨界温度紀錄。（參見《超高壓下首次實現室温超導——中國團隊理論預言富氫材料》）
2017年，馬琰銘領導的課題組預言稀土元素的氫化物在高壓下可變成超導體，臨界温度比硫化氫更高 (Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 107001) 。同年，美國科學家預言化合物LaH10在高壓下上高臨界温度超導體 (Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017， 114, 6990) 。這個理論預言在2019年得到證實 (Nature2019, 569, 528)，在170萬倍大氣壓強下，LaH10變成超導體，臨界温度為250K，即零下23攝氏度。距離室温只有50度左右了。
2019年，馬琰銘領導的課題組預言Li-Mg-H三元化合物Li2MgH16在高壓下會變成超導體，且臨界温度高於室温 (Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 097001)。
2020年10月，美國羅徹斯特大學的Ranga Dias領導的課題組在含氫三元化合物中實現了室温超導體，不是馬琰銘提議的Li-Mg-H三元化合物，而是用的C-S-H三元化合物 (分子式依然未知)，超導臨界温度為288K，即15攝氏度，所需壓強為155萬倍大氣壓強 (Nature 2020, 586, 373)。
史上第一個室温超導體誕生了！
這是物理學歷史上劃時代的大事件！
未完待續
室温超導是實現了，但是是在上百萬倍大氣壓強下實現的，距離實用性依然有很遠的距離，即便是基礎研究，全世界也只有屈指可數的實驗室能達到此等條件。
目前已有大量理論計算文章預言了很多高壓高臨界温度超導體，Dias的工作顯然會使這個領域更火熱。隨着研究的深入，有理由期待，臨界温度會繼續提高，所需壓強會降低，材料性質更優良。也許不遠的將來，室温超導會成為實用技術，超遠距離輸電將幾無損耗，磁懸浮列車成本將變得低廉，量子計算機將易於實現……每一項應用都會深刻改變我們的世界。
1981年諾貝爾化學獎得主羅德·霍夫曼（Roald Hoffmann）預言，高壓高臨界温度超導體獲得諾貝爾獎的概率非常大，Dias已預訂一個席位。
中國還有機會。
從高壓超導體的發展可以看出，尋找超導體的玩法已經變了，理論、計算、實驗三管齊下正逐漸成為標準操作。中國理論計算執牛耳，實驗研究功勳著，雙方順應新範式，密切合作，建立常壓室温超導體不朽功勳，值得期待！
參考資料
章立源 《超越自由 神奇的超導體》 科學出版社Physics Today 63, 9, 38 (2010), The discovery of superconductivity維基百科：超導現象維基百科：超導歷史Physics Today 72, 5, 52 (2019),The quest for room-temperature superconductivity in hydrides羅會仟博客:超導“小時代”之二十一：火箭式的速度羅會仟:鐵基超導的前世今生 《物理》2014，43，430A Prediction for “Hot” SuperconductivityRoom temperature superconductivity finally claimed by mystery material