高压室温超导是如何实现的？

最近，物理界发生了一件震惊众人的大事。闻听此言，吃瓜群众连手中的瓜都惊掉了。为什么这件事情引起如此大的关注呢?这要从超导体的应用说起。所以电阻会消失的对吗?超导体：是的。

根据物质的导电性能，可以将其分为导体、半导体和绝缘体。在导体中，存在大量可以自由移动的带电粒子，他们可以在外电场的作用下自由移动，形成电流。

在绝缘体中，电子则被束缚在原子周围，不能自由移动。

半导体则介于二者之间。

自由如导体，电子在运动的过程中也会受到原子的散射，产生电阻。

当温度降低到一定程度时，一些物质会进入一种奇妙的状态——超导态。此时电阻消失了，电子在其中无阻碍地运动。这个温度称为超导转变温度。

这个特性使得超导在应用方面大有作为：没有电阻就不会产生焦耳热，因此可以应用于大规模集成电路，建设超导计算机;能够承载较大电流而不会有电流损耗，可以制作高压输电线、超导电机等。

除此之外，超导体还有两个特征：完全抗磁性和约瑟夫森效应。

普通导体处于磁场中时，其体内会产生一个感应磁场。而处于超导态的物质，无论外磁场如何变化，其体内的磁感应强度一定为零。

我们熟悉的磁悬浮列车就利用了这个特性。超导线圈可以承载很大的电流，形成强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时，由于完全抗磁性，超导体内部会产生一个相反的磁场，使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向，可以使列车保持向前运动。

约瑟夫森效应是指两个超导体间隔很近，中间可以视为绝缘层，当距离近至原子尺度时，超导体中的电子对就可以越过绝缘层，产生超导电流。利用约瑟夫森效应可以制作超导量子干涉仪，用于测量非常微小的磁信号。

既然处于超导态的材料有这么多用途，为何没有广泛应用于生活中呢?

因为只有在特定温度之下，材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低，往往为几十开尔文(大约零下二百多度!)，这在日常生活中非常难达到，阻止了超导材料的大规模应用。

所以大家应该明白，为什么室温超导能让那么多人心中振奋了吧!

高压室温超导是如何实现的？

回到这个举世瞩目的成果。本次出现高温超导的材料为碳(C)、氢(H)和硫(S)的化合物，其电阻随温度变化的曲线如下图：

由曲线可以分析出，此种化合物仍属于常规超导体。

超导体分为常规超导体和高温超导体，其中常规超导体中电子-声子相互作用较弱，可以用BCS理论解释;高温超导体(主要包括铜氧化物超导体和铁基超导体)，则不能用BCS理论解释。

BCS理论认为，超导态物质之所以有完全导电性，是因为低温下，电子中自旋、动量都相反的可以两两结合成对，称为Cooper(库珀)对。Cooper对在晶格中的运动是无损耗的。

那么，有读者可能会提出疑问了。电子和电子之间明明同性相斥，怎么能结合成对呢?

这是由于电子间不是直接相互作用的，而是通过晶格振动传递相互作用的：带负电的电子在运动时，会对附近带正电的晶格粒子产生吸引作用，而这些被吸引的很多带正电的晶格粒子，会异性相吸吸引来其他带负电的电子。

怎么才能使电子更容易形成Cooper对呢?当然是一个电子吸引来的晶格粒子越多越好啦!而其中最轻的粒子，也就是元素周期表的第一位：氢(H)，成为最佳候选人。

固体氢的熔点为14K(约-259℃)，而且低温并不超导。科学家们预测，在高压下，固体氢会由绝缘态变为金属态。由于H原子很轻，因此金属氢形成Cooper对的温度，即超导转变温度也应该很高，更可能接近室温，但所需的高压也非常高——高到现有的设备难以满足。而一些含H的化合物，则可以在目前技术水平可达到的高压下，在室温形成超导体。如2019年，德国马普所研究的氢化镧(LaH10)就可以在170GPa(170万个大气压)的高压下，实现250K(约-23℃)的超导转变温度。而本次使用的C、H、S化合物则取得了进一步突破，在267GPa(267万个大气压)的高压下，实现288K(约15℃)的超导转变。值得一提的是，此前我国科学家(吉林大学崔田、马琰铭团队)也曾经理论预测过本材料的高温超导电性。

虽然解决了温度这一难题，但又出现了高压这个难题，此次的室温超导是在267GPa的高压下达成的，这是什么概念呢?地球地心处的压力约为300GPa，267GPa已经十分接近地心压力了。这么高的压力，全世界也只有很少的实验室可以达到。

那么，这项研究是不是没什么实际意义呢?非也!这个实验可以给我们带来的启发非常非常多：启发我们思考常规超导体和高温超导体的关系、超导电子配对的机制、未来寻找新材料的方向、应用超导技术的新领域等等。而且，它还给我们描述了一个美好的未来，一个超导机理的谜团解开，真理现于世间的未来;一个常压室温超导成为现实、超导技术大范围造福于民的未来。毕竟梦想还是要有的，万一真的实现了呢?

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关键词： 超导体