這是高溫超導(dǎo)材料的全新記錄，這一突破性進(jìn)展也代表著，人類向著長(zhǎng)久以來(lái)希望創(chuàng)造出具有最優(yōu)效率電力系統(tǒng)的目標(biāo)又邁近了一步。

　　超導(dǎo)現(xiàn)象指電能可以在超導(dǎo)材料中零電阻通過(guò)，但是，這種超導(dǎo)效應(yīng)以前只是在接近絕對(duì)零度的溫度下才能觀察到。而如果能夠?qū)崿F(xiàn)常溫超導(dǎo)，則全球化電力供應(yīng)的夢(mèng)想將成真。

　　論文通訊作者、羅徹斯特大學(xué)物理和機(jī)械工程助理教授 Ranga Dias 表示，開(kāi)發(fā)在室溫下沒(méi)有電阻和磁場(chǎng)驅(qū)逐的超導(dǎo)材料，是凝聚態(tài)物理學(xué)的 “圣杯”。無(wú)數(shù)科學(xué)家已經(jīng)尋找了一個(gè)多世紀(jì)。一旦找到，這些材料 “絕對(duì)可以改變我們所熟悉的世界。”

　　“由于低溫的限制，具有如此優(yōu)異性能的材料并沒(méi)有像許多人想象的那樣徹底改變世界。然而，我們的發(fā)現(xiàn)將打破這些障礙，并為許多潛在的應(yīng)用打開(kāi)大門。”Dias 說(shuō)。

　　物理學(xué)家夢(mèng)寐以求的室溫超導(dǎo)材料

　　超導(dǎo)現(xiàn)象在 1911 年首次被發(fā)現(xiàn)，它賦予了材料兩個(gè)關(guān)鍵的特性：電阻消失和完全抗磁性。完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)，指在磁場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無(wú)法穿過(guò)超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零的現(xiàn)象。

　　強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁元件已經(jīng)成為磁懸浮列車、核磁共振成像 (MRI) 和核磁共振 (NMR) 機(jī)器、粒子加速器和其他先進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵部件，包括早期的量子超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　但是，這些設(shè)備中使用的超導(dǎo)材料通常只能在極低的溫度下工作——這比地球上的任何自然溫度都低。這一限制也使得維護(hù)它們的成本很高，而且擴(kuò)展到其他潛在應(yīng)用程序的成本太高。

　　“將這些材料保持在低溫下的成本太高，你無(wú)法真正充分利用它們，”Dias 說(shuō)。

　　在此之前，超導(dǎo)材料的最高溫度是 2019 年德國(guó)馬克斯?普朗克化學(xué)研究所和伊利諾斯大學(xué)芝加哥分校的實(shí)驗(yàn)室里達(dá)到的。當(dāng)時(shí)，該小組報(bào)告了用鑭-氫化物在零下 23℃左右下的超導(dǎo)性。

　　近年來(lái)，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學(xué)物質(zhì)作為高溫超導(dǎo)體的潛在候選者。然而，作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有希望的元素。

　　“要實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體，你需要更強(qiáng)的化學(xué)鍵和更輕的元素。這是兩個(gè)非常基本的標(biāo)準(zhǔn)，” Dias 解釋道，“氫是最輕的材料，氫鍵是最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一。從理論上講，固體氫具有德拜特征溫度和強(qiáng)電子 - 聲子耦合，這是室溫超導(dǎo)所必需的。”

　　然而，僅僅是將純氫轉(zhuǎn)化為金屬狀態(tài)就需要非常高的壓力。2017 年，哈佛大學(xué)教授艾薩克?西爾維拉 (Isaac Silvera) 和當(dāng)時(shí)在西爾維拉實(shí)驗(yàn)室做博士后的 Dias，首次實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

　　而這次為了創(chuàng)造新的記錄，Dias 在羅徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室將氫、碳和硫元素，在一個(gè)金剛石壓腔中(用于在極高壓下極微量材料的實(shí)驗(yàn)裝置)通過(guò)光化學(xué)合成簡(jiǎn)單的碳質(zhì)硫氫化物，將可以實(shí)現(xiàn)零電阻的溫度提高到了 15 攝氏度。

　　這也是人類第一次在室溫下觀察到具有超導(dǎo)特性的材料。

　　意義重大，挑戰(zhàn)也更大

　　“我們生活在一個(gè)半導(dǎo)體社會(huì)，有了這種技術(shù)，你可以把社會(huì)帶入一個(gè)超導(dǎo)社會(huì)，在那里你再也不需要電池之類的東西。” 這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的論文共同作者、內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校的 Ashkan Salamat 說(shuō)。

　　但是，這次研究人員創(chuàng)造出的常溫超導(dǎo)材料，也有存在一些嚴(yán)重的限制。

　　他們觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象，是在 2670 億帕壓力條件下實(shí)現(xiàn)的，而這個(gè)壓力約是標(biāo)準(zhǔn)胎壓的一百萬(wàn)倍。這一壓力目前只能在接近地球中心的極高壓力下存在，而且，他們?cè)诮饎偸瘔呵恢挟a(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料數(shù)量，是及其微量的，只能用皮升來(lái)表示(1 皮升大約是 10^-9 毫升)，這都意味著這一材料不會(huì)立即有任何實(shí)際應(yīng)用。

　　盡管如此，物理學(xué)家還是希望它能為開(kāi)發(fā)在低壓下工作的零電阻材料鋪平道路。研究人員表示，他們的下一個(gè)目標(biāo)，將是在環(huán)境壓力下觀察常溫超導(dǎo)現(xiàn)象。

　　在研究人員的這套系統(tǒng)中，激光和壓力被用于將前體元素(碳、硫和分子氫)轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)材料。當(dāng)降低實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，通過(guò)該材料的電流電阻降至零，表明該樣品已經(jīng)具有超導(dǎo)性，然后，他們開(kāi)始增加壓強(qiáng)，超導(dǎo)臨界溫度隨壓力增加而上升，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的最高壓力值。

　　研究人員認(rèn)為，通過(guò)化學(xué)方式控制上述系統(tǒng)，或有助于降低所需的壓力。“下一個(gè)挑戰(zhàn)是找到在較低壓力下制造常溫超導(dǎo)材料的方法，這樣就可以在更大的產(chǎn)量上節(jié)省成本。”Dias 說(shuō)。

　　據(jù)了解，Dias 等人還創(chuàng)辦了一家新公司，名為 Unearthly Materials，旨在尋找一種在環(huán)境壓力下可規(guī)模化生產(chǎn)的常溫超導(dǎo)體。

　　但是，馬克斯·普朗克研究所的物理學(xué)家 Mikhail Eremets 警告說(shuō)，關(guān)于這種物質(zhì)還有很多未知。“還有很多事情要做。”

　　紐約州立大學(xué)布法羅分校的計(jì)算化學(xué)家 Eva Zurek 表示，由氫和另一種元素構(gòu)成的高壓超導(dǎo)體已經(jīng)被人們很好地理解。研究人員也用電腦模擬了碳、氫和硫的高壓混合物，但是這些研究不能解釋 Dias 小組觀察到的異常高的超導(dǎo)溫度。

　　“我相信，在這篇論文發(fā)表后，許多理論和實(shí)驗(yàn)小組都會(huì)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究。