朝着原以为2840年才能实现的梦想前进！
1911年，人们首次在4.2K（温度单位开尔文，约等于零下269度）的临界温度之下，观察到了固态汞的超导性，让汞得以在没有任何阻碍的状态下进行导电。从那以后，无数科学家一直试图找到临界温度能超过室温的材料。但这似乎是一件很难实现的事，如果对从1911年到1970年的研究进展进行线性外插，那么就会得出——临界温度将在2840年左右才能达到室温的结论！
在铜氧化物中发现的高温超导性将临界温度提高到了液氦的温度以上。自1994年以来，一种铜氧化物一直保持着最高临界温度记录，其温度值在大气压强和高压下分别为133K和164K。
尽管进行了大量研究，但科学家仍用了20年的时间才打破这一记录：2015年，人们发现当硫化氢（H₂S）被压缩到150GPa（约为地球核心压力的40%）时，就会发生超导相变，其临界温度临界温度为203 K（约零下70度）。
○ 人类发现超导体的历史（截至2015年），纵轴为临界温度，横轴为年份。蓝色菱形：铜氧化物，右上角的绿色圆圈：硫化氢。| 图片来源：Pia Jensen Ray
最近，两个独立的研究团队（分别由乔治华盛顿大学的 Russell Hemley和马克斯·普朗克化学研究所的Mikhail Eremets带领）通过实验发现，一种氢化镧（LaH₁₀）在被压缩到170-185GPa时的临界温度能达到250-260K。这项结果对于寻找室温超导体来说是个好兆头，这意味着在北极普通的冬日夜晚，这种材料不需要冷却就能展现出超导性！
1968年，物理学家Neil Ashcroft根据BCS理论（由巴丁、库珀和施里弗于1957年提出，该理论认为移动电子会形成“电子对”，在晶格中可以无损耗的运动，就会形成超导电流）预测，金属氢应该具备高温超导所需的所有特性。可惜在静态压缩实验中，氢的金属化是极为困难的。
○ 当氢气被充分压缩，经过相变后会生成金属氢，金属氢中的电子脱离分子轨道，表现为一般金属中的自由电子。木星、土星这一类气态巨行星的内部可能含有大量的金属氢（图中木星的灰色部分）。| 图片来源：NASA/R.J. Hall
Ashcroft还进一步预测，与元素氢相比，某些富含氢的固态物质或许可以在更低的压力下转变为金属态，而且它们将具有同样的有助于高温超导的性质。这加速了对压缩氢化物（氢原子与其他元素结合形成的固体）中的超导性的搜寻。
为了研究这些压缩材料的超导性，研究人员需要进行静态高压实验，将材料挤压到金刚石压砧（DAC）中。这样的实验代价高昂，在技术上具有挑战性，而且很难进行解读。更重要的是，能稳定存在于高压下的材料相与在大气条件下是不同的。因此，基于量子力学所进行的计算对指导这些实验来说就变得极其重要，特别在确定有前景展现出超导性的化合物方面。
○ 左：金刚石压砧方案被用于研究LaH₁₀在静态高压下的行为。右：Hemley和Eremets两个团队观察到的LaH₁₀笼状晶体结构的草图，这种结构被认为是其高温超导性的原因。| 图片来源：APS/Alan Stonebraker
在过去十年里，这些理论和计算技术都集中在二元氢化物上。对于含有碱土金属或稀土金属的氢化物，研究人员计算得出了极高的临界温度值，有些甚至超过了室温。例如，2017年的时候，Hemley和马琰铭带领的研究小组预测，在金刚石压砧可达到的压力下，某些含氢元素比重较大的稀土金属氢化物将变得稳定。
这些富含氢的材料的晶体结构类似于所谓的笼形复合物的笼状结构。氢化镧是最有前景的氢化物之一，它是由正方形或六边形的多面体组成的氢晶格，每个多面体的中心都有一个稀土金属原子。假设这个系统可以用BCS理论描述，研究人员预测，在大约200GPa的压力下，它的临界温度会介于270到290K之间。
在2018年初，Hemley的团队成功合成了LaH₁₀。现在，Hemley和Eremets的团队已经报道了在金刚石压砧内的极端压力下，LaH₁₀所具有的超导性的实验特征。为了在微米级的LaH₁₀样品内部准确测量其电阻，两组研究人员都必须确保样品和电极之间的良好接触，并且还要控制样品的组成和条件，例如防止其形成额外的物相。
Hemley的团队开发了一种新型的合成技术，他们以硼烷氨（NH₃BH₃）为氢源对LaH₁₀进行原位合成。当样品在185GPa的压力下冷却时，他们观察到显著的电阻降低现象，这表明260K是它的临界温度。第二组实验表明，在200GPa的压力下，临界温度可以达到280K。X射线衍射测量表明，超导相可能是LaH₁₀，并排除了电阻下降是由温度诱导的结构转变引起的可能性。
Eremets的团队通过元素镧或三氢化镧（LaH₃）与氢的直接反应来合成镧氢化物。他们观察到了电阻的急剧下降，由此得出临界温度与压力的关系。LaH₁₀的最高临界温度大约为250K，这是在大约170GPa的压力下测得的结果。另一种未被识别的氢化物的相与LaH₁₀共存于同一样品中，它的临界温度为215K。
Eremets的团队还观察到了超导性的两个特征痕迹：首先，施加磁场降低了临界温度，这符合对第二类BCS超导体的预期状况；其次，临界温度表现出所谓的同位素效应——当氢被较重的氘取代时，临界温度会降低。
这些数据都强烈暗示了超导性，但要想确凿疑问地证明超导性，还必须要观察迈斯纳效应——当一种材料从一般状态相变至超导态时，对磁场产生的排斥现象。然而，测量迈斯纳效应是非常困难的：以之前的最高临界温度记录保持者——硫氢化物为例，它的迈斯纳效应是在超导性被首次报告的几年之后才最终得以证明。由于镧氢化物样品明显小于硫氢化物样品，因此要证明LaH₁₀的迈斯纳效应将需要大量的实验工作。
要识别样品中包含的多种晶格还需要进一步的理论和实验研究。数据表明，其中一种晶格极有可能是LaH₁₀，但其他结构是什么仍是未知。这些信息对于理解晶体结构和超导性之间的关系至关重要，或许还有助于揭示可能具有更高临界温度的新的超导相。LaH₁₀的高临界温度必然会鼓舞实验人员对类似系统的研究，氢化钇就是一种可能，据预测，它的临界温度可超过室温。
在超导领域，大多数突破都是出乎意料的，它往往违背当时的传统智慧。氢化物的例子表明，情况可能不再如此：我们可以通过理论计算来合理设计高临界温度的BCS超导体新材料。计算技术的进步将使我们有可能找到其它的复杂材料类型，与LaH₁₀等二元氢化物不同，它们在解压时可能仍能保持稳定。而用于晶体合成与表征的新技术将能使我们对理论想法进行实验验证。
多亏了这种理论和实验之间的反馈回路，我们可能很快就能够制备出一种超导体，它可以在接近室温的条件下，在比金刚石压砧简单得多的设备（比如将粉末压缩成药片的压力机）内就能够实现的压力下，表现出超导特性。
撰文：Eva Zurek
原文标题为“Pushing Towards Room-Temperature Superconductivity”，首发于2018年1月14日的APS Physics。原文链接：https://physics.aps.org/articles/v12/1。中文内容仅供参考，略有增删，一切内容以英文原版为准。