先別管室溫不室溫的，超導(dǎo)你真的弄明白了嗎？

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(xué)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下實現(xiàn)超導(dǎo)的材料。消息一出，便引起了物理學(xué)屆甚至科學(xué)界的熱議。

之所以受到熱議，一是因為室溫超導(dǎo)在物理學(xué)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(fù)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(dǎo)為什么這么重要？這還要從超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷程說起。

第一個發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的人

眾所周知，超導(dǎo)現(xiàn)象就是指導(dǎo)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(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）通過實驗發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯

（圖片來源：維基百科）

1911年在物理學(xué)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(xué)的完成更是遠在15年以后。當(dāng)時的物理學(xué)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(dǎo)現(xiàn)象之前，物理學(xué)家們對于導(dǎo)體在接近絕對零度時的導(dǎo)電性質(zhì)并沒有一個統(tǒng)一的意見。有些物理學(xué)家甚至猜測電流在接近絕對零度的導(dǎo)體中會幾乎完全停滯，換句話說，就是此時導(dǎo)體的電阻會趨于無窮大，這其中就包括19世紀(jì)最著名的物理學(xué)家之一、被用于冠名絕對溫標(biāo)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(dǎo)性示意圖

（圖片來源：維基百科）

作為歷史上觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象的第一人，昂內(nèi)斯的發(fā)現(xiàn)平息了之前物理學(xué)家們關(guān)于導(dǎo)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(dǎo)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(xué)獎。

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

如果我們希望將超導(dǎo)體應(yīng)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(dǎo)現(xiàn)象存在以后，如何將產(chǎn)生超導(dǎo)的溫度和壓強推進到接近日常狀態(tài)，便成了物理學(xué)家們孜孜以求的夙愿。

追求“高溫”超導(dǎo)的年年歲歲

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

其中德國物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨（Johannes Georg Bednorz）與瑞士物理學(xué)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(dǎo)體，其超導(dǎo)臨界溫度（35K）比起之前的Nb3Sn和Nb3Ge等基于鈮元素（Niobium）的超導(dǎo)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(xué)獎，隨之而來的還有其后一系列銅氧化物高溫超導(dǎo)體的誕生，其中就包括人類歷史上第一種超導(dǎo)臨界溫度（93K）超過液氮沸點（77K）的高溫超導(dǎo)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(dǎo)體的超導(dǎo)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(dǎo)體，應(yīng)用成本比起之前的超導(dǎo)體大大降低了。

不同超導(dǎo)材料的臨界溫度

（圖片來源：維基百科）

物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強來獲得更高的超導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的壓強便可以使其在203K（約-70℃）的“高溫”下發(fā)生超導(dǎo)相變。

目前實驗中觀察到的超高壓條件下超導(dǎo)臨界溫度最高的材料之一是LaH10 ，其對應(yīng)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(yīng)用之間的鴻溝，畢竟大規(guī)模的超高壓設(shè)備意味著天文數(shù)字般的成本，實際應(yīng)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(dǎo)現(xiàn)象的背后

伴隨著實驗方面的進展，物理學(xué)家們也想弄清楚超導(dǎo)現(xiàn)象背后的物理原理，因此對于超導(dǎo)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(xué)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(dǎo)現(xiàn)象的唯象模型，不涉及超導(dǎo)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(xué)家們有一套叫作熱力學(xué)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(xué)家們劃分第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體的依據(jù)。

什么是第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體呢？簡單地說，第一類超導(dǎo)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(dǎo)體就不再是超導(dǎo)體了；第二類超導(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)部仍然有一些區(qū)域的電阻為0，而當(dāng)外部磁場強度超過兩個臨界值時，這個導(dǎo)體就會失去超導(dǎo)性。

歷史上第一個關(guān)于超導(dǎo)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(xué)家約翰·巴?。↗ohn 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(dǎo)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(zhǔn)粒子，是科學(xué)家們從粒子的角度去理解導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)部自由流動，導(dǎo)體在超低溫時的超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象的終極理論，比如前面提到過的銅氧化物高溫超導(dǎo)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(dǎo)體被稱為非常規(guī)超導(dǎo)體（unconventional superconductors），最早的非常規(guī)超導(dǎo)體是于1979年被發(fā)現(xiàn)的CeCu2Si2，其超導(dǎo)臨界溫度僅有0.6K，遠低于同為非常規(guī)超導(dǎo)體的銅氧化物高溫超導(dǎo)體。

非常規(guī)超導(dǎo)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(xué)家菲利普·安德森（Philip Warren Anderson）和印度物理學(xué)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(dǎo)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(dǎo)體。

到目前為止，我們離完全理解非常規(guī)超導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下實現(xiàn)超導(dǎo)。雖然一萬個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓的其他高溫超導(dǎo)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(dāng)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(yīng)用還有很遠的距離，因為超導(dǎo)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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