爆炸性消息！美科学家宣布「室温超导」技术重大突破，或可彻底解决能源问题

2023-03-10 04:03

3月8日，来自罗彻斯特大学（University of Rochester）的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）团队发布最新研究成果：他们制备了一种材料，可以在1万个标准大气压（1个标准大气压为0.1兆帕）下实现室温超导，临界温度约为21℃！

超导是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象。电阻越小，意味着能量损耗越低。而超导若能实现工程应用，意味着人类能源储存和传输效率产生颠覆性改变；而超导材料的应用，也意味着在计算机芯片乃至可控核聚变等领域，都有着更加光明的前景。

（Nature正式发表了Dias团队的新论文，时间戳显示，这篇论文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收）

一、21摄氏度下新材料实现超导

据了解，超导的发现来源于液氮的制备。

1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯成功将氦气液化，随后在1911年春，昂内斯在用液氦将汞的温度降到约-268.95℃时，发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。1957年，人类有了第一个能真正描述超导现象的理论——BCS理论。总体而言，这种理论认为超导现象是一种由“库珀对”（Cooper pair，由两个电子结合而成）导致的量子现象。1968年，尼尔·阿什克罗夫特（Neil Aschcroft）提出，氢原子或许就是让“库珀对”更稳定的关键。这或许可以产生真正的高温超导，甚至是室温超导。但如果使用单一的氢分子，可能需要非常苛刻的实验条件（数百万个标准大气压）才能实现超导。然而，如果向氢中添加另一种元素，就有可能打散氢分子的结构，释放出氢原子，让其振动，足以支撑高温超导。

基于这一思路，科学家已经相继发现CaH6、H2S、H3S能在“高温”条件（约-233℃）下实现超导。2019年，美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化镧（LaH10）在190万个标准大气压下，可以在约-13℃实现超导，这已经逼近了室温，曾是超导临界温度的最高纪录。

（近年来超导材料的进展，图源：wikipedia）

2020年，迪亚斯团队在《自然》上发表论文，表示他构建了一种碳-硫-氢三元体系超导材料，它可以在约260万个标准大气压下实现室温超导，临界温度约为15℃。当时他在接受《环球科学》的采访时表示：“之前从未有人预测到过这种碳-硫-氢三元体系的超导性，我们在这个领域摸索了很多年，整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体，”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向，因此迪亚斯认为，此次的发现既是意料之外，又在情理之中。

在最新发表于《自然》的论文中，迪亚斯团队同样揭示了一种三元体系的超导材料——镥-氮-氢体系。迪亚斯表示，镥看起来是“值得尝试的候选”。镥是71号元素，代号Lu，14个电子填满了它的4f轨道，这让它能压制声子软化效应，并增强电子和声子的配对，从而实现室温超导。“关键的问题是，如何来稳定这个体系，降低压力要求？这就是氮出现的作用。”迪亚斯表示。氮的原子结构稳定，可以创建更稳定的笼状晶格结构，并增强低频光学声子，可以在较低的压力下使超导更稳定。

（Ranga Dias，图源网络）

为了制备这样的超导材料，研究团队首先制备了由99%氢气与1%氮气组成的混合气体，然后将纯镥样品放入其中，在200℃下反应2～3天。最终，他们制备了一种亮蓝色的样品。但在正常的环境下，这种材料并没有超导性。为了获得超导性，迪亚斯团队给制备的样品施加了压力。他们发现，样品在约3000个标准大气压的条件下从蓝色变成了粉色——这时它也具有了超导性。随着压力的升高，材料的临界温度越来越高，直到压力达到约1万个标准大气压时，临界温度达到了约21℃。

从1911年人类第一次发现超导现象以来，实现室温、可实用的超导材料就是一代代科学家的梦想。如果真的找到了这样的材料，我们可以用它构建输电网络，每年省下2000亿度电；大幅降低核磁共振的成本，拯救更多生命；甚至我们能拿它来构造托卡马克（一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器），掌控核聚变，彻底解决能源问题。

二、能否真正实现“室温超导”仍存疑问

不过，该研究团队的这项研究可能会面受到严格审查。

2020年，《自然》杂志发表重磅论文，宣布以C-S-H三元体系制备的超导材料在15摄氏度实现了超导电性。尽管相应压强条件高达267GPa，但这是高温超导材料的临界温度首次突破0摄氏度大关，堪称历史性重大突破。这一论文的通讯作者正是迪亚斯博士，此时他已来到美国罗切斯特大学担任助理教授。

然而，正当学术界再次被这位青年才俊所震撼和鼓舞之时，质疑也接踵而至。多名超导领域的知名学者公开发表意见，认为该论文的重要数据存在可疑之处，加州圣地亚哥分校的理论物理学家Jorge Hirsch甚至直言：相关结果是“人为捏造”的。虽然迪亚斯团队公开了更多数据作为回应，但并未能平息质疑。《自然》杂志经与作者团队多次沟通，也认为相关回应不够充分，最终决定撤稿。