在美國物理學會（APS）3月年會上，羅切斯特大學的蘭加‧迪亞斯（Ranga P. Dias）團隊扔下一枚「震撼彈」，宣稱在1GPa（約等於1萬個大氣壓）的壓強下，鑥-氮-氫體系材料中實現了室溫超導。
相關論文今天（3月9日）凌晨正式發表在《自然》雜誌上。
此消息一出，瞬間成為了科研圈和媒體圈的熱門話題。不過，看到這裡的你，可能會有很多問題：超導是什麼？室溫超導又是什麼？為什麼這麼多人都在關注這項研究成果？
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超導是材料在一定溫度下電阻變為0的物理現象；
超導體的應用有望為科技帶來巨大變革，但苦於超導轉變溫度過低，應用受限；
室溫條件下的超導體是超導研究人員的終極夢想；
但研究作者此前有類似論文曾被撤稿，對於此次公布的室溫超導結果需保持謹慎，還需進一步實驗驗證。
超導是什麼？
物理上，超導（superconductivity）是材料在低於一定溫度時電阻變為0的現象，轉變後的材料稱為超導體（superconductor）。
中學課本里提到過，在一個電路中，導線里的電荷在電壓驅動下會像跑步運動員一樣運動，從而形成電流，但經過導體的電阻會阻礙它們的運動。
如果電路由超導體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。在一個超導鉛製成的環道中，可以連續幾個月都觀測不到電流有減弱的跡象。
超導現象由昂內斯在1911年發現 | 諾貝爾獎官網
超導現象最早由荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現。
1911年，他用液氦將水銀的溫度降低到4.2K（約為-269℃）附近時，驚奇地發現水銀的電阻突然消失了。後續人們發現鉛、鈮等元素也有類似的電阻突變為0的性質。
昂內斯因液氦的製備和超導現象的發現，獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。
這裡的K念作開爾文，和攝氏度一樣，也是溫度的一種計量單位。數值上，它只需要減去273.15就是攝氏溫度。比如說，4.2K就是-268.95℃。絕對零度指的是0 K，相當於-273.15℃。
除了電阻為0以外，超導體還有另一個奇特的性質，稱為完全抗磁性。
1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Meißner）和羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發現，材料轉變成超導體後，就好像武僧穿上了金鐘罩，體內的磁場會全部排斥在外。
這個現象也被稱為邁斯納效應。
根據超導體的完全抗磁性，可以做個有趣的實驗：在超導體的正下方放置一個磁體，磁體在周圍產生磁場，而超導體的內部不允許磁場存在，從而產生相反磁場，與磁體互相排斥。
如果排斥力和超導體的重力相平衡，就能讓超導體懸浮在半空中，仿佛科幻小說中的場景。
電影《阿凡達》裡的哈里路亞山，按照設定，便是超導礦物在磁場中懸浮的結果 | 《阿凡達》劇照
後來物理學家總結，要看一個材料是不是超導體，就看它是否同時具有零電阻現象和完全抗磁性的特徵，兩者缺一不可。
因為自身特殊的性質，超導體引發了人們對它未來應用的無限遐想。比如：
零電阻的電路幾乎沒有熱損耗，使用超導體材料進行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費，提高能源利用效率；
超導線運用於發電機、電動機能大幅提高電流強度和輸出功率；
超導體製作超大型積體電路的連線，能解決散熱問題，提高運算速度；
超導體的現實應用，有可能為科學技術帶來巨大而深刻的變革。
超導體進行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費 | instituteforenergyresearch.org
可惜，理想很豐滿，現實很骨感。直到目前為止，超導體的實際應用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導量子干涉儀等特定情境中。在電力工程方面，尤其是被寄予厚望的超導線長距離輸電，大範圍應用仍然遙遙無期。
是什麼限制了超導體的大範圍應用？根本原因只有一個：溫度。
尋找高溫超導體
材料轉變為超導體的溫度被稱為超導臨界溫度（Tc），低於這個Tc，超導體才能保持自身的超導性質。
然而，絕大多數材料的Tc都非常低，基本都在50K（也就是大約-220℃）以下，需要藉助液氮或液氦等維持低溫環境。
想像一下，辛辛苦苦建造一條幾百公里的超導輸電線，還需要全程浸泡在液氮中冷卻，成本得多麼誇張！
所以為了讓超導體得到更廣泛的應用，必須要找到Tc更高、最好是室溫條件下（大約300K左右）也能保持超導性質的材料。
從發現超導現象開始，物理學家對高Tc超導體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。
在最開始的70多年內，Tc的上限連突破30K都很困難，甚至有理論提出超導體的Tc不可能超過40K，給大家潑了好大一盆冷水。
柏諾茲（右）和繆勒（左）因為高溫超導體的發現而獲得1987年諾貝爾物理學獎 | Keystone / Str
直到1983年，IBM公司的工程師約翰內斯·貝德諾爾茨（Johannes Bednorz）和卡爾·繆勒（Karl Müller）在鑭-鋇-銅-氧體系中提出可能存在35K的超導電性，其他研究團隊在後續實驗中發現，這種銅氧體系的Tc竟然最高能達到138K（HBCCO），一下子把記錄提高了超過100K！
物理學家將這類銅氧化物超導體稱為高溫超導體，柏諾茲和繆勒也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。
雖然名為高溫超導體，但也只是相對於先前40K的低溫而言的，銅氧化物的Tc和物理學家的最終目標還有一定距離。
高壓物理學家埃雷米茨刷新了超導臨界溫度的最高記錄 | MPIC, Carsten Costard
又一項重要突破發生在2015年，德國物理學家米哈伊爾·埃雷米茨（Mikhail Eremets）發現硫化氫在150萬個大氣壓的極高壓力下，Tc能達到203K，刷新了超導臨界溫度的最高記錄。
雖然這種在超高壓下的超導體缺乏實際應用場景，但仍然是令人激動的溫度突破。
說到這裡，這次扔下室溫超導「震撼彈」的拉甘‧迪亞斯就要登場了。
充滿疑點的室溫超導
2020年，迪亞斯在《自然》雜誌上發表了一篇關於室溫超導的論文，引發巨大轟動。
迪亞斯的實驗方式主要是對碳、硫、氫氣混合形成的材料用雷射照射和金剛石擠壓，發現材料在極高壓下能達到287.7K的臨界溫度。這是首次有實驗結果表明Tc達到室溫，瞬間在全世界的科研圈和媒體圈中引發了轟動。一時間，似乎室溫超導這一終極夢想距離現實已近在咫尺。
這樣的實驗需要使用雷射照射和金剛石擠壓，以達到極高的壓強 | J. Adam Fenster / University of Rochester
然而，眾人的熱情很快被質疑聲澆滅。迪亞斯的這篇論文發表後，眾多學術界大牛對他的實驗數據表示懷疑，比如說像磁化率的原始數據和數據處理缺乏依據，之前做出硫化氫超導的埃雷米茨嘗試了6次也沒能復現出迪亞斯的實驗結果。
兩年後的2022年，儘管迪亞斯團隊堅持認為實驗結果不存在問題，那篇論文仍然在質疑聲中被《自然》雜誌撤稿。
投下室溫超導「震撼彈」的拉甘‧迪亞斯 | 羅切斯特大學
就在人們以為迪亞斯的「室溫超導」要以一場鬧劇收場時，沒想到他在昨天（3月8日）的美國物理學會會議上又扔下了一枚「震撼彈」。這次他聲稱，發現鑥-氮-氫體系的材料在1GPa的壓強下同樣實現了約21℃的超導。
相比那篇被撤稿的論文，這次實驗結果的壓強條件直接從267GPa大幅降低到了1GPa。雖然1GPa仍然是現實情境中難以實現的壓強，但如果實驗結果得到證實，那也是為室溫超導的實現邁出了一大步。
與2020年一樣，這次迪亞斯的論文同樣被《自然》雜誌接收並發表，也已經有學者再次對實驗數據提出了質疑。
迪亞斯的最新實驗結果究竟是超導物理研究的重要里程碑，還是又一場學術界的鬧劇，還有待科學家進一步研究和討論。
作為看熱鬧不怕事大的旁觀者，對此恐怕還是保持觀望態度為好。
關於這次超導領域的最新研究進展，我們也聯繫了幾位相關領域的學者，他們與我們分享了大家關心的幾個常見問題。
問：相比上一次該團隊發布後被撤稿的研究而言，這次室溫超導的研究有什麼新的亮點？
劉寒雨教授，吉林大學物理學院，研究方向：極端條件下的材料、高壓下的氫和氦化合物、新型超導材料的計算設計
上次撤稿的nature文章里報導的是在極端高壓強下（大於100萬大氣壓強）的室溫超導電性，而本次工作中報導的是1萬大氣壓強下的室溫超導電性。壓強很低，可以做更多表徵證明它的超導電性。
學者A，專業領域：凝聚態物理、材料領域
上一個C-S-H的工作是在百萬大氣壓以上的壓力下合成並測量的，金剛石台面及樣品只有微米級，相關的測量非常有難度，也容易引入各種不確定的實驗失誤。
這次Lu-N-H的工作是在近常壓下完成了，金剛石台面及樣品可達到幾十甚至百微米以上，相關的物理量測試的精度會更高，準確性會更強。
這個工作（如果後續證實是對的），解決了富氫化合物（近）室溫超導所需要的極為苛刻的超高壓條件（百萬大氣壓以上），極大的推動了這一體系真正在常壓下實現實用化的進程。
學者B，專業領域：高壓極端條件下凝聚態物質結構與性質的研究
首先壓力更低了，僅有1萬大氣壓，遠遠低於上次室溫超導所需的267萬大氣壓，這樣的實驗條件，廣大的實驗同行很快就可以跟進，使得這一次的實驗驗證遠比上一次容易。其次文章中給出的主觀數據非常充分，包括電阻，磁化率測量，熱容測量，XRD測量還結合了理論計算。綜上所述，如果數據可靠的話，將是一個重大突破。
問：從目前的論文來看，這個研究靠譜嗎？
劉寒雨教授
目前而言，文章的圖和數據看起來，超導電性比較清晰。但是仍需第三方獨立證實。對媒體上廣泛報導的所謂發現室溫超導體的表述，現在還需要謹慎樂觀。
學者A，專業領域：凝聚態物理、材料領域
目前，文章展示了超導行為表徵所需的零電阻數據以及抗磁數據，同時對於比熱及結構都進行了相應的表徵，作者基本上做了高壓下能夠進行的除了紅外光譜外的大多數關於超導測量的實驗表徵，數據質量很高，讓人很難駁斥。但文章中依然有一些難以理解的點，比如：
1） 作者利用金屬Lu與氫氣及氮氣的混合物在65°C左右合成樣品。以我們團隊合成氮化物及氫化物的經驗來說，氮-氮三鍵打開並參與化學反應是非常困難的，通常需要極高的溫度（如2500-3000K以上）並利用雷射加熱實現。65°C就能夠將氮摻入到晶格中我們是很難理解的。
2） 以往合成的富氫超導材料通常為黑色，如果表面比較光滑，利用反射光顯微鏡成像能看到金屬光澤，但是作者報導的Lu-N-H體系在較低的壓強範圍下顏色變化非常大，與以往無機物的經驗不是非常符合。
因此，儘管該工作已經提供了較為完善的實驗證據，還需要其餘的研究團隊證實。
學者B，專業領域：高壓極端條件下凝聚態物質結構與性質的研究
文章中給出的數據從主觀上看非常充分，但是磁學噪音比較小，樣品過於均勻，顏色隨壓力變化極其敏感，整體上來看不同以往的氫化物，所以還是需要更多課題組去實驗驗證。
問：如果這個新發現靠譜，離實際應用還有多遠？在應用上有什麼關鍵性的問題需要解決？
劉寒雨教授
如果靠譜的話，由於其壓強已經到了1萬大氣壓強了，已經相當低了，對於科學研究還是很重要的。但是對於實際應用，比如超導電纜等，仍需要在常壓下獲得室溫超導材料。
實際我們也對這三個元素的組合材料做了大量的預測，但仍未發現與實驗一致的結果。從理論上講，氫化物超導的機制是需要氫比例非常高的，而高氫比例需要高的壓強，但是這個實驗工作的壓強較低，所以從理論上講，很難預測出高氫比例的氫化物。綜上所述，我對於預測出這三個元素的高超導結構不樂觀。
學者A，專業領域：凝聚態物理、材料領域
如果這個研究是正確的，那麼室溫超導的應用將不是夢想。但是其室溫超導的壓力依然需要1萬大氣壓左右，雖然與以往氫化物的百萬大氣壓的穩定壓力相比已經有了質的飛躍，但是依然離常壓環境有較大差距，還需要科學家進一步的研究將壓力降至常壓環境。另外，如果未來的產品依然需要幾千大氣壓的氫氣合成，那麼也是不可取的。在幾千大氣壓條件下，氫氣的爆點極低，些許擾動如撞擊或火花即可引爆腔體造成事故。另外，氫氣分子也非常的小，且具有氫脆效應，它能夠腐蝕一般的金屬，因此在存儲和運輸上的也具有非常大的挑戰。另外，這種富氫材料通常為粉體，能否製成具有應用價值的薄膜、線材或者體材料依然需要人們去做進一步的探索。
學者B，專業領域：高壓極端條件下凝聚態物質結構與性質的研究
如果這個新發現靠譜，需要從金剛石對頂砧實驗轉戰到大壓機實驗，這個過程可能需要好幾年時間，再到實際應用還需要更多時間，但是目前的工作重心還是這個實驗的可重複性。
