出品：科普中國

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作者：盧健龍

近日，美國羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）宣布其團隊發(fā)現(xiàn)了一種能在21攝氏度和一萬個標準大氣壓下實現(xiàn)超導的材料。消息一出，便引起了物理學屆甚至科學界的熱議。

之所以受到熱議，一是因為室溫超導在物理學家們心中一直是至高無上的圣杯，二是因為這篇論文之前因無法被其他實驗室復現(xiàn)而撤稿，如今僅半年之后，論文又一次登上了《自然》。

這次的研究有什么意義？室溫超導為什么這么重要？這還要從超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷程說起。

第一個發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象的人

眾所周知，超導現(xiàn)象就是指導體在特定條件（比如溫度、壓強、磁場等等）下電阻為0的現(xiàn)象。1911年4月8日，荷蘭物理學家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）通過實驗發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。

?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯

（圖片來源：維基百科）

1911年在物理學發(fā)展史上是一個很容易被忽略的年份。那時，狹義相對論已經(jīng)誕生了6年，廣義相對論還要再等上4年，量子力學的完成更是遠在15年以后。當時的物理學家們對于微觀層面的物理現(xiàn)象還沒有一個清晰的認識，所能倚靠的只有各種繁雜零碎的理論工具，理論之間的矛盾更是層出不窮。

在昂內(nèi)斯觀察到超導現(xiàn)象之前，物理學家們對于導體在接近絕對零度時的導電性質(zhì)并沒有一個統(tǒng)一的意見。有些物理學家甚至猜測電流在接近絕對零度的導體中會幾乎完全停滯，換句話說，就是此時導體的電阻會趨于無窮大，這其中就包括19世紀最著名的物理學家之一、被用于冠名絕對溫標單位的開爾文勛爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin）。

1911年4月8日，昂內(nèi)斯將汞放到液氦中冷卻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被冷卻到4.2K（約-269℃）的汞突然沒有了電阻。昂內(nèi)斯立刻意識到了這個發(fā)現(xiàn)的重要意義，后續(xù)又發(fā)表了一系列關(guān)于這一現(xiàn)象的研究論文。

汞的超導性示意圖

（圖片來源：維基百科）

作為歷史上觀察到超導現(xiàn)象的第一人，昂內(nèi)斯的發(fā)現(xiàn)平息了之前物理學家們關(guān)于導體在低溫下到底會有什么性質(zhì)的爭論，并開啟了人類攀登超導高峰的波瀾壯闊的征程，也在短短兩年后為他贏得了諾貝爾物理學獎。

但昂內(nèi)斯觀察到的超導現(xiàn)象，需要的溫度是4.2K，如此低的溫度意味著超導體基本沒有任何日常實用的可能性。

如果我們希望將超導體應用在日常生活中，比如長距離且?guī)缀鯚o損耗地將電力從發(fā)電廠傳送到千家萬戶，那么接近日常生活的工作溫度和壓強是必不可少的條件。因此，在確認超導現(xiàn)象存在以后，如何將產(chǎn)生超導的溫度和壓強推進到接近日常狀態(tài)，便成了物理學家們孜孜以求的夙愿。

追求“高溫”超導的年年歲歲

接著，物理學家又陸續(xù)在其他材料中發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，與之伴隨的是日漸提高的超導臨界溫度。

其中德國物理學家約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednorz）與瑞士物理學家卡爾·米勒（Karl Alexander Müller）于1986年共同發(fā)現(xiàn)的鑭鋇銅氧化物（Lanthanum barium copper oxide）是人類歷史上的第一種高溫（此處的高溫是相對來說的）超導體，其超導臨界溫度（35K）比起之前的Nb3Sn和Nb3Ge等基于鈮元素（Niobium）的超導材料有大幅提高。

這一發(fā)現(xiàn)很快便被授予了1987年的諾貝爾物理學獎，隨之而來的還有其后一系列銅氧化物高溫超導體的誕生，其中就包括人類歷史上第一種超導臨界溫度（93K）超過液氮沸點（77K）的高溫超導體——著名的釔鋇銅氧化物（Yttrium barium copper oxide），簡稱為YBCO。

為什么要強調(diào)液氮沸點呢？這是因為如果一種導體的超導臨界溫度超過液氮沸點，那就意味著我們用價格低廉的液氮就可以很容易地將它冷卻成超導體，應用成本比起之前的超導體大大降低了。

不同超導材料的臨界溫度

（圖片來源：維基百科）

物理學家們還發(fā)現(xiàn)了可以通過對相關(guān)實驗材料施加遠大于標準大氣壓的壓強來獲得更高的超導臨界溫度。

比如2015年人們發(fā)現(xiàn)對硫化氫（H2S）施加約150GPa（約150萬個標準大氣壓）的壓強便可以使其在203K（約-70℃）的“高溫”下發(fā)生超導相變。

目前實驗中觀察到的超高壓條件下超導臨界溫度最高的材料之一是LaH10 ，其對應的壓強和臨界溫度分別是約170GPa和250K（約-23℃），這一溫度已經(jīng)非常接近零攝氏度了，生活在東北地區(qū)的讀者想必對這個溫度并不陌生。

然而，超高壓條件是橫亙在實驗室發(fā)現(xiàn)和日常實際應用之間的鴻溝，畢竟大規(guī)模的超高壓設備意味著天文數(shù)字般的成本，實際應用中除了材料性質(zhì)以外，成本控制也是必須考慮的。

走近超導現(xiàn)象的背后

伴隨著實驗方面的進展，物理學家們也想弄清楚超導現(xiàn)象背后的物理原理，因此對于超導現(xiàn)象的理論研究也一直在往前推進。

早在1950年，俄國物理學家維塔利·金茲堡（Vitaly Ginzburg）和列夫·朗道（Lev Landau）便提出了以他們名字命名的金茲堡–朗道理論，它是一個用于描述宏觀超導現(xiàn)象的唯象模型，不涉及超導現(xiàn)象背后的微觀機制。

維塔利·金茲堡（左）和列夫·朗道（右）

圖片來源：維基百科

這就好比，在研究熱現(xiàn)象的時候，物理學家們有一套叫作熱力學的理論，這套理論研究的是物體宏觀上的一些性質(zhì)（比如溫度、壓強等等），沒有涉及到更深層的微觀層面的概念（比如組成物體的原子等等）。

在金茲堡–朗道理論中有一個金茲堡–朗道方程，從金茲堡–朗道方程中，我們還可以得到兩個重要的物理量，它們分別是相干長度（coherence length）和穿透深度（penetration depth），這兩個特征長度的比值是物理學家們劃分第一類超導體和第二類超導體的依據(jù)。

什么是第一類超導體和第二類超導體呢？簡單地說，第一類超導體有一個磁場臨界值，一旦外部磁場強度超過這個臨界值，整個導體就不再是超導體了；第二類超導體則有兩個磁場臨界值，如果外部磁場強度位于這兩個臨界值之間，那導體內(nèi)部仍然有一些區(qū)域的電阻為0，而當外部磁場強度超過兩個臨界值時，這個導體就會失去超導性。

歷史上第一個關(guān)于超導性質(zhì)的微觀機制的理論誕生于1957年，它的創(chuàng)造者是美國物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·庫珀（Leon Cooper）和約翰·施里弗（John Robert Schrieffer），因此被命名為BCS理論。

根據(jù)BCS理論，導體中的電子-聲子（聲子不是像電子那樣的真實粒子，而是一種準粒子，是科學家們從粒子的角度去理解導體內(nèi)部的原子振動所創(chuàng)造出來的一種概念）相互作用會導致電子之間產(chǎn)生吸引力，進而形成被稱為庫珀對（Cooper pair）的電子對。凝聚狀態(tài)下的庫珀對能夠像超流體似的無障礙地在導體內(nèi)部自由流動，導體在超低溫時的超導性質(zhì)正是來源于此。

然而，BCS理論并不是能夠解釋所有超導現(xiàn)象的終極理論，比如前面提到過的銅氧化物高溫超導體就不能用BCS理論去解釋。這些不能用BCS理論去描述的超導體被稱為非常規(guī)超導體（unconventional superconductors），最早的非常規(guī)超導體是于1979年被發(fā)現(xiàn)的CeCu2Si2，其超導臨界溫度僅有0.6K，遠低于同為非常規(guī)超導體的銅氧化物高溫超導體。

非常規(guī)超導體背后的的微觀機制研究是一個很活躍的研究領(lǐng)域。一個著名的例子就是美國物理學家菲利普·安德森（Philip Warren Anderson）和印度物理學家Ganapathy Baskaran在1987年提出的共振價鍵理論（resonating valence bond theory）。

電子之間形成共價鍵

（圖片來源：維基百科）

在這個理論中，銅氧化物晶格里的電子在相鄰的銅離子之間形成共價鍵并被固定，經(jīng)過摻雜以后這些電子便可以形成移動的庫珀對，從而產(chǎn)生超導現(xiàn)象。2018年火遍全網(wǎng)的轉(zhuǎn)角雙層石墨烯也屬于非常規(guī)超導體。

到目前為止，我們離完全理解非常規(guī)超導體還有很長的路要走。

結(jié)語

這次迪亞斯團隊發(fā)現(xiàn)的材料可以在21攝氏度和一萬個標準大氣壓下實現(xiàn)超導。雖然一萬個標準大氣壓看起來很大，但相比于之前提到的動輒需要上百萬個標準大氣壓的其他高溫超導體而言，這完全可以稱為“近常壓”了。如果這個發(fā)現(xiàn)后續(xù)被其他研究組證實，那無疑是一個實驗上的巨大飛躍。至于能不能被證實，我們還需要靜觀其變。

當然，即使被證實了，迪亞斯團隊所發(fā)現(xiàn)的這種新材料距離日常應用還有很遠的距離，因為超導臨界溫度和壓強并不是僅有的需要考慮的因素，臨界電流密度和臨界磁場也很重要，另外，從實驗室少量制備到工業(yè)化大規(guī)模量產(chǎn)的工程問題也是無法回避的挑戰(zhàn)。

對于這件事，你怎么看呢？

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