室温超导圣杯这次要大结局了吗？「室温超导最新进展」

刚刚在物理学的盛会——美国物理学会的三月会议——上，爆出了一个大新闻。来自罗彻斯特大学的Ranga Dias宣布，他们团队在近环境压强下实现了室温超导。

报告的题目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure

翻译一下：近环境压强下观测到的金属氢化物室温超导现象

网址：https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2

Ranga Dias小组在三元氢化物（N-Lu-H）中实现了在1GPa（或1000 MPa），20°C的超导电性。所谓“三元”是说有三种元素，氢化物是氢和别的元素形成的化合物。N和H都是我们熟悉的元素，Lu（Lutetium，镥）稍陌生，它的原子序数是71，电子结构是：4f^14 5d^1 6s^2

以下是Dias报告的摘要：

超导电性是自然界中最深奥的现象之一。然而，由于需要极低的温度，这种难以捉摸的量子态尚未引起科学界的革命。因此，自从翁纳斯（Kamerlingh Onnes）在一个多世纪前首次在4.2开尔文的汞元素中观察到超导电性以来，近环境压强超导成为科学界最追求的目标之一。在过去的十年里，高压技术主宰了高温超导的探索。领先的路线是通过“化学预压缩”下的氢合金来实现，稀土氢化物LaH10和YH9展示出的超导临界转变温度(Tc)已接近水的冰点。我们在碳硫氢化物（C-S-H）中发现了室温超导电性（注：该工作已被Nature撤稿），并强调三元或更高的体系可能是较高Tc和近环境压强超导的关键。在这里，我们报告了一种新材料在近环境压强条件下表现出超导电性的最新进展。这些化合物是在高温高压条件下合成的，并在压缩路径上考察其完全可恢复的材料及超导性能。有了这些材料，近环境压强超导和应用技术的黎明已经到来，现在打开了通过“材料设计”定制极端条件下氢化物的直接途径。（致谢：ChatGPT）

以下是报告现场视频

【1】

超导现象很牛，它在磁悬浮列车、核聚变等一系列重要领域有重要应用。其标志是存在一个临界温度Tc，当温度低于这一温度时会有：1.零电阻现象；2.迈斯纳效应（完全抗磁性）。

超导转变温度20°C，意味着这种三元氢化物在室温时就会具有零电阻现象和迈斯纳效应。Ranga Dias在报告中给出了三个实现室温超导的证据，除零电阻，迈斯纳效应（磁化率测量）外，还给出了比热测量的数据。可以说是相当具有诚意。

同时，这一工作的重要性还在于，其实现室温超导所需的高压也不是很高，1000MPa已经接近普通等静压机的能力，500MPa是等静压机的标准规格，如果你提出需求的话，1000MPa也完全没问题。这标志着，商用的室温超导已经在向我们招手了。

左图卖的是500MPa的等静压机，右图说是能定制1000MPa的等静压机。

当然，我们还需要其他研究组独立地重复此项工作，实际上这个领域的工作是颇具争议的。Ranga Dias是一位来自于斯里兰卡的物理学家，其主页上显示，他本科2006年毕业于斯里兰卡的Colombo大学，然后2013年在美国的华盛顿州立大学获得博士学位。Dias的研究领域是极端条件下（比如高压）的氢化物的量子现象。

2020年，Dias小组已经在Nature发表过一篇类似的工作了，宣称：三元氢化物（C-S-H）在267GPa的超高压下实现了转变温度为15°C的超导电性。这项工作一出来，就被誉为是诺奖级的工作。可惜的是由于其他物理学家实在重复不出这个结果，而被Nature在2022年9月撤稿了。

仅仅过了不到半年，Dias就带着新的三元氢化物（N-Lu-H）卷土重来，在不那么极端的高压（1GPa）下，实现了更高的超导转变温度。压强更低了，Tc更高了。惊不惊喜？奇不奇怪？

本来267GPa，我们还需要金刚石对顶砧实现超高压，现在立马降到了穷人都能试一试的1GPa，想必这次会有更多的组来重复吧？是否重复的出来，是物理学家们绝好的打赌机会。

【2】

临界温度越高，超导就离实际应用越近，比如上世纪80年代发现的铜氧化物就被称为高温超导体，因为它在液氮温区（77K或-195.8°C）可实现超导电性。这已经是了不起的进步了，因为液氮很便宜。变态的物理学家，还希望实现室温超导（20°C左右），这样做的好处是可以摆脱制冷设备，同时也可以推进我们对超导电性的理解。

（这里插播一篇我最近介绍超导机制争议的文章：我们对超导的理解有多深，误解就有多深。）

不奇怪，室温超导被誉为物理学家们的圣杯，当然压强不能太高，缺省我们就认为是1个大气压吧，或者叫环境压强下。

经典的超导电性理论认为“电子-声子”相互作用是导致电子配对的机制，换句话说，低于临界温度Tc时，电子会进入“新”的量子态，即自旋、动量相反电子两两配对的态。按照这种“电子-声子”相互作用图像，会有所谓同位素效应，简单说就是：

M^1/2 Tc = 常数

这里M是离子的质量，M越小，超导转变温度Tc就越高，显然氢（H）是最小的。这意味着，在BCS框架下，如果我们能实现金属氢，它将具有最高的超导转变温度。但可惜的是，氢和氢之间的相互作用太弱了，通常氢是以气体的形态出现的，或者我们就需要用超级超级巨大的压强把H压为金属氢。

Dias们的工作可以说是这个简单思路的延续。

金属H太难了，怎么办呢？一个自然的思路是给里面引入其他的元素，就好比我们本来要把氢给约束为固体，这太难了，我们就引入其他元素给氢造个笼子（或房子），把H约束在这个笼子里，这是为什么人们会在氢化物中寻找Tc更高超导体的原因。

LaH10结构示意：La，红球；H，绿球。

最早尝试的自然是二元的氢化物，在极端高压条件下，物理学家在SH3中实现了155GPa，203K（-70°C）的超导体，然后在LaH10中实现了190GPa，260K（-13°C）的超导体。自然，下一步就是三元氢化物了。

绿色代表可以用BCS机制描述的超导体，高压下的氢化物具有最高的超导转变温度，并已无限接近室温（红色虚线），图中最高的绿色点（HxSxCx，267GPa）就是被Nature撤稿的工作。

但是，在这里我们碰到一个“复杂性”的问题，元素周期表中100多种元素，固定H元素，完全随机地试，对三元氢化物来说，我们需要试10000种可能性，这还没有考虑各种元素的比例。显然，我们不能随机地试，最好得有个大概齐的方向，试最可能的几种。这就是所谓材料设计了。

倒数第二行，最后一个元素就是Lu

在BCS的框架下，Tc由“电-声子”耦合强度决定，而“电-声子”耦合强度是由Eliashberg谱函数α^2F(ω)计算出来的。因此，我们就需要计算很多三元氢化物的Eliashberg谱函数。这个计算不是很快，但现在我们有机器学习/人工智能，实际上物理学家是基于ML/AI来计算这很多很多种三元氢化物的Eliashberg谱函数的。

现在我们知道了，今天的这个刷屏大新闻，幕后的英雄还是ML/AI。其大概步骤是物理学家用比较容易算出来的Eliashberg谱函数来训练神经网络，训练好后，再用神经网络生成更多比较难算的三元氢化物的Eliashberg谱函数。然后我们就能计算出各种三元氢化物的Tc，接下来，我们只需试几种Tc最高的三元氢化物即可。

【3】

小结一下，我们有三个关注点：

1. 这项工作是否会被其他组重复，进而会不会有真正的环境压强下的室温超导体被筛选出来。

2. 如果(1)成立，那么这将是BCS理论的又一次胜利，也许超导电性真的会被一个BCS框架的超导理论所统一解释。

3. 什么都别说了，学习ML/AI吧，这将是所有未来创新型工作的通用工具包。