高壓出奇蹟

超導性為我們描繪了這樣一幅美好的繪景：超高效的電動機、超強力的磁鐵和無損耗電力輸送……然而實際情況卻是超導材料的製造具有難度大、成本高等特點，它的超導性需要在持續不斷的低溫液氦浴中才能運行。因此，超導性在現實中的情況與它描述的繪景相差甚遠。

高溫超導體的進展經歷了一個漫長的停滯期，幾十年來都沒有出現過什麼有力的新競爭者。但是一直以來，研究人員都在為了能更好地理解超導性而不斷努力。現在，這些努力似乎即將得到回報。

讓我們先將時間退回到幾年前，那時，研究人員發現了一種高壓形式的硫化氫，它可以在203K（零下70°C）時展現出超導性，這一溫度比以往的任何材料都要高出大約65K。現在，根據計算機建模給出的提示，研究人員發現一種鑭氫化合物（LaH10）的超導臨界溫度可以達到250K（大約零下25°C），如果你有一個好的冰箱，就可以達到這一溫度。

那這是不是說，我們在家裡就可以獲得超導了嗎？可惜並不是，LaH10的超導性強烈地依賴於壓力，而且需要將樣品在兩個金剛石之間壓縮。但有證據表明，我們對超導性的理解確實是正確的，因此毫無疑問的是，還有更多的化學物質值得我們研究。

良好的振動

雖然我們還沒能完全地理解超導性，但我們已經對一些支撐它的物理原理髮展出了堅實的理論理解。由材料產生的高頻晶格振動是一個我們已經確定的關鍵因素。這些晶格振動部分取決於晶體的結構，部分取決於該結構中的原子。越輕的原子更容易振動，因此更容易實現超導性。

這一特性激發了我們對硫化氫的探索——材料中的氫能導致超導所需的高頻晶格振動。事實上，有跡象表明，超導所需要的高壓會迫使硫從晶體結構中分離出來，從而產生一種氫含量更高的化學物質。

類似的基於密度泛函理論的計算表明，高壓可以產生以釔和鑭等金屬為中心的富氫化合物。氫原子會像一個籠子一樣包圍在這些金屬周圍。計算結果表明，這些化學物質可以在更高的溫度下進行超導。

早期一些研究測試了金屬（鈣和釔）在與平均6個氫原子複合後會出現的行為。但有跡象表明，氫的含量還可以更高。去年有報道稱，科學家合成了一種氫含量很高的鑭氫化合物——LaH10，發現了這一化合物的研究人員曾表示，這種超氫化物可以被看作是金屬氫的近距離實現。進行了這一實驗的研究人員確實看到了電阻在不同溫度下的一些變化，但並沒能對這些變化進行完整描述。因此，一個國際科學家團隊決定完成這項工作。

高壓

製造這種化學物質本身並不難，只要將鑭金屬置於氫氣環境中，然後在金剛石砧之間對它進行擠壓。在270千兆帕斯卡（約200萬個大氣壓）的壓力下，這些混合物會在金剛石砧之間形成一小塊LaH10。為了測試它的超導性，研究人員在每個金剛石砧上都放置了一根細微的金屬絲，這樣的話，鑭氫化物就可以在它們之間傳導電流。整個裝置可以被降到非常低的溫度。

在一定的壓力和溫度下，研究人員發現化合物的電阻急劇地下降到零，也就是說它們開始變成了超導體。在實驗中，可穩定觀測到的最高溫度是250K，也就是零下23°C。如果把冰櫃的設置調到最高，冰櫃可能也能達到這個溫度，而且這是地球極地區域經常有的溫度。它比乾冰要暖和得多，也比液氮暖和得多。

在壓力為170千兆帕斯卡時，LaH10的超導臨界溫度到達峰值，進一步增加壓力反而會導致臨界溫度的下降。這表明LaH10的最佳超導性表現對結構非常敏感。

對超導性的測量存在眾多挑戰，其中一個挑戰是那些將電流匯入樣本材料中的導線在這些溫度下並不會發生超導，所以我們不能直接測量電流的電阻。因此，為了弄清是否真的發生了超導，研究人員可以對那些能影響超導產生的因素加以檢驗。超導體對磁場的存在非常敏感，當對LaH10施加磁場時，它的臨界溫度就會下降。

此外，我們之所以會研究這種化合物，首要原因就在於這種化合物中存在大量的非常輕的氫原子。研究人員將氫換成氘（氫的同位素，比氫多一個中子），使它們變得更重。結果發現，這樣做也會降低臨界溫度。基於這些原因，研究人員就可以確切地得出結論說：在這些條件下，LaH10確實變成了超導狀態。

當然，在任何我們想要擁有超導體的地方都裝上金剛石砧顯然是不現實的。但研究結果卻非常重要。

首先，它們意味著我們至少對超導性的某些方面已有足夠的了解，足以預測能顯示出這種超導行為的化學物質。雖然由於計算的強度非常大，我們可能無法對這麼多的化學物質進行盲選，但它們應該能讓我們識別出那些具有前景的化學物質類別。

另外，研究人員計算出LaH10的超導結構，或許能使我們確定一些導致了超導行為的關鍵特徵。雖然這種特殊的化學物質可能永遠也無法成為一種實用的解決方案，但它卻有可能幫助我們找到一些可能的解決方案。

參考鏈接：

https://arstechnica.com/science/2019/05/superconductivity-reported-at-the-temperature-of-a-good-freezer/

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