每經編輯｜李澤東    

美國羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團隊日前在美國物理學會會議上宣布，他們已經創造出一種可以在室溫（room temperature）條件下實現超導的全新材料。

由于這一發現可能顛覆多個傳統行業，給人類科學文明帶來巨大改變，消息發布后，在全球引起軒然大波。

圖片來源(yuan)：視覺中國 VCG211334113721

與(yu)此(ci)同時(shi)，A股(gu)投(tou)資圈的小伙伴(ban)們也連夜學(xue)習和重溫基(ji)礎物理知識，并在各個群展開熱烈討論。市(shi)場方面(mian)，9日上午，西部超(chao)導(dao)、聯創光電(dian)、中超(chao)控股(gu)等(deng)“超(chao)導(dao)概念股(gu)”卻高開低走。

股民(min)對“室溫(wen)超導(dao)”展開了(le)熱烈討論(lun)。大概內容分為兩(liang)個方向，一些人認為超導(dao)概念要火了(le)，類似此前(qian)的AI概念；另(ling)外也有人認為概念太新需(xu)謹慎(shen)。

對于這個火爆的(de)話題(ti)，多(duo)名專家(jia)發表看(kan)法，中科院物理所也發文(wen)進行(xing)科普，稱“讓子彈再飛一(yi)會兒”。

復旦教授：成果若證實，是諾獎級別！

據每日經濟新聞報道，北京時間3月9日凌晨，該研究的主要作者及論文主講人、羅徹斯特大學機械工程系和物理與天文系助理教授蘭加·迪亞斯通過郵件接受了記者的獨家專訪。在專訪中，迪亞斯博士對其團隊此次的全新發現充滿信心，他認為這將是一項重塑21世紀的革命性技術。

不過他同時還指出，“要將我們對室溫超導新材料的發現應用到任何規模的現實世界中，還需要幾年的艱苦工作。”

蘭加·迪亞斯教授（圖片來源：羅徹斯特大學官網）

澎湃(pai)新(xin)聞3月9日報道(dao)，上海(hai)市高(gao)溫超導重點實(shi)驗(yan)室(shi)(shi)主任、上海(hai)大(da)學(xue)教授蔡傳(chuan)兵認為，這次(ci)迪亞斯展(zhan)示出的研(yan)究(jiu)成果有一定可(ke)靠性，“假設它的數據是(shi)正確的，等更(geng)多(duo)科學(xue)家跟進它的研(yan)究(jiu)結(jie)果后，有可(ke)能會出現這個領域的重大(da)突破。”但室(shi)(shi)溫超導所(suo)需(xu)的1GPa壓力仍(reng)屬于高(gao)壓范疇，距離實(shi)際應用(yong)仍(reng)非常遙遠。

另據上證報報道，復旦大學物理系教授李世燕接受采訪時表示，該發現還有待證實。如果被證實，由于其所需壓力也不算高（此次的合成和測試條件跟之前相比已經寬松很多），這將是諾貝爾獎級別的成果。從應用場景來看，雖然是室溫超導(dao)，但是因(yin)為需要(yao)上(shang)萬個大氣壓，其應用的(de)場景會極為有限。目前最重要(yao)的(de)還是其他研究組來證實該發現。

李世燕教授在接受上海證(zheng)券(quan)報記者(zhe)采訪時表示，該發(fa)(fa)現還(huan)有待證(zheng)實，特別是該論文的(de)作者(zhe)此前(qian)已經有兩(liang)個類似的(de)發(fa)(fa)現不(bu)能被同行重復。

在他看來(lai)，就學術(shu)方面而言，物理學家(jia)們一(yi)直都在尋找室溫超導體。如果該發現被證實，由于(yu)其所需壓力(li)也不算高（此次的合成(cheng)和測(ce)試條件跟之前(qian)相比已經寬(kuan)松很多），這將是(shi)諾貝(bei)爾獎(jiang)級別的成(cheng)果。

“從(cong)商業上來(lai)說，作者自己(ji)也成(cheng)立了公司，他說得很清(qing)楚(chu)，現在不(bu)會(hui)把這(zhe)個樣品(pin)(pin)提供(gong)給別人，他們會(hui)試(shi)圖將該材料商業化。雖(sui)(sui)然(ran)從(cong)目(mu)前合(he)(he)成(cheng)量來(lai)說，樣品(pin)(pin)只有(you)不(bu)到1mm，極(ji)微(wei)量，但因為合(he)(he)成(cheng)條件(jian)并不(bu)嚴苛，不(bu)排除后(hou)期大(da)規(gui)模合(he)(he)成(cheng)的可能。從(cong)應用場(chang)景(jing)來(lai)看(kan)，雖(sui)(sui)然(ran)是(shi)(shi)室溫超導，但是(shi)(shi)因為需要上萬個大(da)氣壓(ya)，其(qi)應用的場(chang)景(jing)會(hui)極(ji)為有(you)限。目(mu)前最重(zhong)要的還是(shi)(shi)其(qi)他研究組來(lai)證實該發(fa)現。”李世燕說。

中科院物理所：讓子彈飛一會兒

此外(wai)，中科院物理所(suo)對這(zhe)一(yi)話(hua)題(ti)也進行了(le)科普。

羅徹斯特大學的Dias團隊宣稱，他們發現了近常壓的室溫超導體，該超導體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元(yuan)相，該研究團隊認為，其在大約(yue)10kbar（也就(jiu)是1GPa，約(yue)相當(dang)于1萬個大氣壓）下可以(yi)實現約(yue)294K（也就(jiu)是約(yue)21℃）的室(shi)溫超(chao)導電性。

這時，就有人要問了，超導(dao)是個啥(sha)(sha)，發現個室溫超導(dao)為啥(sha)(sha)這么(me)激動？

一、超導及其應用價值

超導態是材料的一種特殊狀態，在超導態中，材料處于零電阻的狀態中，初中二年級的物理告訴我們(men)，電(dian)阻是材料普(pu)遍具有的性質(zhi)，當電(dian)流流經材料時，其內部的晶格(ge)、雜(za)質(zhi)等會對(dui)載(zai)流子運動產生(sheng)阻礙(ai)，載(zai)流子本身攜帶的能(neng)量(liang)會被轉(zhuan)移(yi)到晶格(ge)上，宏(hong)觀上造成焦耳(er)熱(re)，電(dian)勢也會相應下降。

而沒有電阻的超導體(ti)(ti)就完全沒有上(shang)述問(wen)題，電流(liu)(liu)流(liu)(liu)經超導體(ti)(ti)，既不會(hui)發(fa)熱，也不會(hui)出現壓降(jiang)，因此電流(liu)(liu)可以無衰減地在超導體(ti)(ti)中(zhong)流(liu)(liu)動(dong)。

很明顯，超導體的意義是顯而易見的，如果我們的電線都采用超導體，那就不會存在能量衰減。我(wo)(wo)們現(xian)階(jie)段(duan)使用(yong)(yong)的特高壓(ya)輸電技術，其實(shi)就(jiu)是提高輸電線的電壓(ya)，來盡(jin)可(ke)能(neng)降低(di)能(neng)量(liang)損耗，可(ke)如(ru)果使用(yong)(yong)了超導電線，將完全(quan)不(bu)存在(zai)這(zhe)個問題，將徹底改寫(xie)整個行業，我(wo)(wo)們可(ke)以(yi)(yi)直接(jie)以(yi)(yi)市電電壓(ya)傳輸電力(li)，完全(quan)不(bu)需要(yao)變電站，我(wo)(wo)們或許可(ke)以(yi)(yi)直接(jie)使用(yong)(yong)直流(liu)電。

但是(shi)，由(you)于超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)Tc（超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)轉變溫度，指超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)體由(you)正常態進(jin)入(ru)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)態的(de)(de)溫度）的(de)(de)限(xian)制(zhi)，這一設(she)想完全無法實(shi)現(xian)(xian)，我們(men)現(xian)(xian)在發(fa)現(xian)(xian)的(de)(de)絕大部(bu)分(fen)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)體Tc都(dou)在77K（-196℃）以下，這是(shi)液(ye)氮(dan)的(de)(de)沸點，Tc在這之下的(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)體大部(bu)分(fen)時候是(shi)使(shi)用更加昂貴的(de)(de)液(ye)氦制(zhi)冷來使(shi)其進(jin)入(ru)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)態，只有少(shao)部(bu)分(fen)銅基超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)體Tc達到了77K之上，可以使(shi)用液(ye)氮(dan)制(zhi)冷來使(shi)其進(jin)入(ru)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)態。

即便如此，超導體在我們日常生活中已經有了應用，醫院的核磁共振便采用了超導體，這(zhe)就涉及了超導體的另(ling)一重大應用方向，即產生大磁(ci)場。

當我們需要一個很大的磁場時，我們首先想到的是什么？磁鐵？不不不，永磁體的磁場遠遠達不到我們的要求，再回想一下初中二年級的物理知識，沒錯，通電螺線管！！利用電流，我們也可以得到磁場，更令人振奮的是，磁感應強度與電流強度成正比，也就是說，電流越大，磁場越強。

但大電流就會遇到上文提到的兩個問題，焦耳熱與壓降，大電流會產熱，更令人絕望的是焦耳熱與電流的平方成正比，因此，電(dian)流每增加一分(fen)，磁場就會相應增強一分(fen)，但產熱會按平方(fang)增加，最終絕大多數能(neng)量都(dou)將轉化為內能(neng)。

焦耳熱的來源是電阻，只要沒有電阻，就可以完全不考慮焦耳熱的影響，因此超導體在這里的意義就顯而易見了，我們如果利用超導體線材制作線圈，就可以幾乎無節制（磁場也可以抑制超導態，這里需要注意產生的磁場不能超過超導體的臨界磁場）地提升線圈內的電流強度，進而獲得強大的磁場。這就是核磁共(gong)振中強大(da)磁性的來源。

除了以上場景，利用兩個不同超導體做成的約瑟夫森結也有重要應用價值，我們可以利用它制作SQUID，這個裝置是目前最精確的磁場探測裝置，在超導量子計算機中也有重要應用。

看(kan)到(dao)這(zhe)里，你應該(gai)對(dui)(dui)室(shi)溫(wen)超(chao)導的意(yi)義有(you)一定認知(zhi)了，如果(guo)我們真的可(ke)以發現常(chang)壓下的室(shi)溫(wen)超(chao)導，那(nei)將使整(zheng)個人類(lei)(lei)社會產(chan)生重大改變(bian)，我們現有(you)的科技可(ke)能面臨顛覆，能源問題得到(dao)重大緩解，對(dui)(dui)整(zheng)個人類(lei)(lei)都具有(you)重大進(jin)步意(yi)義。

我們(men)還是簡(jian)單介紹一下超導體的發(fa)現歷程及其輸運性質(zhi)，這有(you)利(li)于(yu)我們(men)理解Dias的工作(zuo)。

二、超導的發現及其機理

1911年，昂內斯改進了制冷設備，率先將溫度降至液氦沸點之下，在此期間，他發現汞的電阻在4.2K時突然降為零，經過再三確認，他最終確定，這不是實驗上的失誤或誤差，這是汞本征的性質，由此，他打開了超導的大門，汞也是我們發現的第一個超導體，Tc為4.2K。

昂內斯僅僅測量的汞的電阻，這揭示了超導體在電輸運上的特征，也就是零電阻。

后來，1933年，邁斯納在對進入超導態的錫或鉛金屬球做磁場分布測量時發現，當材料進入超導態后，其內部的磁場會迅速被排出體外，磁場只在超導體外部存在，超導體展現出完全抗磁性，這就是邁斯納效應。

后來的研究發現，超導體可以進一步劃分為第一類超導體和第二類超導體，第一類超導(dao)體(ti)(ti)展現出完全(quan)(quan)的抗磁(ci)(ci)效應(ying)，內部(bu)完全(quan)(quan)沒(mei)有磁(ci)(ci)場(chang)。而第二類超導(dao)體(ti)(ti)則允許磁(ci)(ci)場(chang)在超導(dao)體(ti)(ti)內部(bu)產(chan)生磁(ci)(ci)通(tong)量子，也就是允許磁(ci)(ci)場(chang)部(bu)分地進(jin)入(ru)超導(dao)體(ti)(ti)。

以(yi)上對(dui)超導體的研(yan)究更多地還停留在(zai)(zai)對(dui)其性質探究，我們實(shi)際上也一直在(zai)(zai)尋找超導的內(nei)在(zai)(zai)機理，探索其本質。

最開始的嘗試是倫敦方程，不過這個理論無法揭示穿透深度與外磁場的關系。1950年左右，前蘇聯科學家金茲堡和朗道提出了解釋超導的唯象理論——金茲堡-朗道理論（G-L理(li)(li)論(lun)）。該(gai)(gai)理(li)(li)論(lun)建立在(zai)朗道二級相變理(li)(li)論(lun)的(de)(de)(de)基礎(chu)上，用序參量描述(shu)超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)。該(gai)(gai)理(li)(li)論(lun)成功解釋了(le)超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)，上文提到的(de)(de)(de)第一類超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)與第二類超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)就是根據G-L方程求解的(de)(de)(de)界面(mian)能的(de)(de)(de)正負判定的(de)(de)(de)。

根據G-L理論，超導體從正常態到超導態的轉變是一個二級相變，因此，理論上我們可以在比熱的測量中發現其在Tc處有一個躍變，或者叫一個峰。后(hou)來這也(ye)在實驗(yan)上被證實。

看到這里，你應該也(ye)發現(xian)了(le)(le)，超導的文(wen)章特別好(hao)寫，測一(yi)(yi)下電阻，測一(yi)(yi)下磁化率，如果可以的話(hua)，再測一(yi)(yi)下比熱(re)，比熱(re)即便測不了(le)(le)也(ye)不是什么大(da)事，搞完這些就齊活了(le)(le)。

最后還要簡單提一下，我們目前解釋超導的最好的理論就是BCS理論，這個理論的核心就是電子在與晶格的耦合中會出現電子吸引電子的可能，這樣兩個電子會結成庫珀對，結成(cheng)庫(ku)珀(po)對的電子(zi)可以看作玻色子(zi)，在低溫下(xia)，發生“凝聚(ju)(ju)”，能量(liang)可以無耗散(san)地(di)在凝聚(ju)(ju)的庫(ku)珀(po)對中(zhong)流動，實(shi)現超導態。

但BCS理論也不能解釋所有超導態，我們根據BCS理論計算得到麥克米蘭極限，即符(fu)合BCS理論(lun)的(de)(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體Tc不會超(chao)(chao)過(guo)40K，但實際上很(hen)多超(chao)(chao)導(dao)(dao)體都突破了這(zhe)一極限，比如銅基超(chao)(chao)導(dao)(dao)和鐵基超(chao)(chao)導(dao)(dao)，這(zhe)樣的(de)(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體被(bei)稱為高溫超(chao)(chao)導(dao)(dao)體，也就是(shi)說相對于之前20 K以下的(de)(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體，Tc高了很(hen)多。

本來還想介紹一(yi)下實驗中(zhong)高壓(ya)的獲取，篇幅所限，有機會(hui)再聊。

三、新的室溫超導

有(you)了上面這些(xie)預備知識，我們就(jiu)可以一起來看一下這篇已經被發表在nature上的文(wen)章了。

同大部分超導的文章一樣，Dias研究團隊對樣品電輸運、磁化率及比熱進行了測量。

首先是電阻的測量結果，左圖中給出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的電阻測量結果，三個電壓下電阻都降低到了0，這正是(shi)(shi)超(chao)導體的(de)主(zhu)要特征之(zhi)一(yi)，需(xu)要注意(yi)的(de)是(shi)(shi)，這里1GPa時Tc是(shi)(shi)最高的(de)，壓強越(yue)低，Tc越(yue)高，是(shi)(shi)一(yi)個令人意(yi)外的(de)結果。插圖(tu)是(shi)(shi)樣品及電極圖(tu)片。右(you)圖(tu)則給出了超(chao)導態(tai)與正常態(tai)的(de)V-I曲線。

這張圖是對磁化率的測量，a圖是60Oe（Oe是高斯單位制中表示磁場強弱的單位，可以理解為高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖，可以明顯看到其Tc為277K（4℃），b圖給出磁矩與外磁場的關系，也符合超導體的特征，c圖則是(shi)不(bu)(bu)同壓力(li)下的(de)M-T曲線，這里的(de)Tc與電阻上的(de)保持一致，轉變(bian)溫度區間(jian)也很小，是(shi)非常(chang)好的(de)轉變(bian)。不(bu)(bu)過在a圖中也可以看出來(lai)研究(jiu)團隊對原始數據做了一定處(chu)理。

這里多(duo)提一句(ju)，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)率(lv)的測(ce)(ce)量(liang)會明顯受樣(yang)品形狀、背底等(deng)因(yin)素的測(ce)(ce)量(liang)，理(li)論上超(chao)導體應該(gai)表現出完全抗(kang)磁(ci)(ci)(ci)性(xing)（即4πχ=-1），但(dan)實際測(ce)(ce)量(liang)中(zhong)測(ce)(ce)不(bu)到完全抗(kang)磁(ci)(ci)(ci)性(xing)（即4πχ＞-1）也(ye)是可以理(li)解(jie)的。當然Dias的文章中(zhong)并(bing)沒有約化(hua)，a圖中(zhong)縱軸是磁(ci)(ci)(ci)矩，并(bing)非磁(ci)(ci)(ci)化(hua)率(lv)。

Dias還對比熱進行了測量，結果如上圖所示，這里給出了10、10.5、20kbar的測量結果，可以看到，三個比熱的曲線均能看到超導在比熱上的轉變，Tc與電阻的測量結果略有區別但完全可以理解，這個結果是合理的(de)。不過該說不說，這個比熱(re)的(de)轉變(bian)并不算明(ming)顯，尤其是10.5kbar的(de)曲線，峰(feng)并不明(ming)顯，10kbar的(de)轉變(bian)也尚不如20kbar明(ming)顯。這三個比熱(re)的(de)轉變(bian)看起來也有些(xie)區(qu)別，尤其是10kbar和10.5kbar的(de)數據，僅(jin)差(cha)了0.5kbar，但圖像差(cha)異(yi)卻很大。不過考慮是高壓下測量的(de)，或許有一(yi)些(xie)我們不知道的(de)困難(nan)吧。

Dias還給出了樣品的XRD（X射(she)線衍(yan)射(she)）結(jie)果，并繪制了晶胞圖像，這當然也(ye)是必要的。

a圖即XRD結果，他們采用了Mo靶，紅線是理論計算的結果，圓圈是實際測量的結果，藍線是二者的誤差，看得出來，測量與計算的結果區別很小，樣品可以說是一個純相，Dias團隊計算樣品占比為92.25%，雜質為LuN_1−δH_ε和Lu₂O₃。

b圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉紅色的是氮原子，他們給出的樣品化學式是LuH_3−δN_ε，61kbar時空間群是Fm-3m和Immm，但(dan)Dias認為超(chao)導(dao)相空間群是前者。

最(zui)后(hou)是該樣品的(de)超導相圖(tu)（原文這(zhe)是第一張圖(tu)），Tc隨著(zhu)壓(ya)強(qiang)升高(gao)而減小，這(zhe)是出(chu)乎大家意料之處，后(hou)面或(huo)許也將成為研究的(de)重點，b圖(tu)是樣片形貌隨著(zhu)壓(ya)強(qiang)的(de)變化，常(chang)壓(ya)下是藍色(se)(se)的(de)，隨著(zhu)壓(ya)強(qiang)升高(gao)逐漸變為粉(fen)紅(hong)，最(zui)終呈現紅(hong)色(se)(se)，樣品的(de)顏色(se)(se)還是非常(chang)喜慶的(de)。

從文章來看，這項工作無疑是突破性的，相關證據也很充足，如果能重復出來，搞不好未來能發諾獎。但物理學的研究終究不是一家之言，任何科學研究都應該經得起驗證，這個也(ye)不例外，這項工作勢必(bi)要經過(guo)行業內(nei)各個研究組的(de)重(zhong)復(fu)，如果經過(guo)多次重(zhong)復(fu)之后，確(que)(que)定該結果的(de)正確(que)(que)性(xing)，那將是(shi)劃(hua)時代的(de)工作。我們今年諾獎預測也(ye)就有(you)底氣了。

這次的工作號稱是近環境下的室溫超導，通過上文，大家也能看到，Tc最高處的壓強為1Gpa，大約1萬個大氣壓，雖然還是很大，但相比于之前的270萬個大氣壓，已經小了很多了，重復的難度也小了很多，相(xiang)信(xin)已經(jing)有很多研究組(zu)已經(jing)開始(shi)著(zhu)手重復實驗了。

不過目前很多人對這個結果持觀望態度，一方(fang)面是因為重復實驗結(jie)果還沒出(chu)來，另一方(fang)面或許(xu)是因為Dias之前的“前科”。

其(qi)實，在這之(zhi)前，Dias就(jiu)(jiu)已經有了(le)兩個突破性的進展。一個是(shi)金屬氫，另一個就(jiu)(jiu)是(shi)上一個室(shi)溫超(chao)導。

Dias首先宣稱自己在高壓下合成了金屬氫，相關文(wen)章發表在science上，但其他研究組沒有重復(fu)出來(lai)，而他自己(ji)后來(lai)宣稱，由(you)于保存不當，保存金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)氫(qing)的裝置壓力泄露，最終金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)氫(qing)因為(wei)壓力不足汽化消(xiao)失了。后來(lai)，Dias也沒有再合(he)成金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)氫(qing)。由(you)此，金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)氫(qing)可以說是(shi)成為(wei)了一樁“懸案”。

上次的氫化物室溫超導也是由(you)Dias合成(cheng)的，其實現的壓強(qiang)高達270GPa，相(xiang)關(guan)結(jie)果(guo)發表在nature上(shang)，但后續多(duo)個研(yan)究組試圖(tu)重復該(gai)實驗(yan)未(wei)果(guo)，并由(you)于Dias未(wei)披露原始數據，多(duo)人認為其在磁化(hua)率的數據處理中使用了(le)(le)錯誤(wu)的方法，得到了(le)(le)并不(bu)能算正確的結(jie)論(lun)。因此在大家的一致抗(kang)議(yi)下，最(zui)終該(gai)文章被從nature上(shang)撤稿，當(dang)然，Dias研(yan)究團隊(dui)所有(you)成(cheng)員都對(dui)該(gai)撤稿行為表示抗(kang)議(yi)，不(bu)過最(zui)終沒有(you)挽回(hui)。

正是因為(wei)這(zhe)兩起事件，領域內許(xu)多(duo)科(ke)學家對Dias研究團隊其實持不信任態度，畢竟(jing)他(ta)們(men)的數(shu)據結果(guo)總(zong)是比(bi)別(bie)人漂亮許(xu)多(duo)。但這(zhe)次Dias給出(chu)很(hen)多(duo)原始數(shu)據，可以說全面(mian)又(you)豐(feng)富，況(kuang)且這(zhe)次的成果(guo)只需要1GPa的壓強，重(zhong)復起來(lai)相對簡單(dan)，想必我們(men)很(hen)快就(jiu)可以對該成果(guo)給出(chu)一個定論(lun)了，讓(rang)我們(men)拭目以待(dai)吧。

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