尋找室溫超導體的過程如同追尋點金石。室溫超導體能夠完美傳導電力而無任何阻力，將可再生能源高效地傳輸到遠方城市，極大地解決氣候危機。
難怪去年發現兩種這樣的材料時，物理學界為之瘋狂。2023年3月，研究人員報告一種名為「紅物質」的材料在21°C(70°F)下具備超導能力，但需在極高壓力下。幾周後，另一種名為LK-99的物質據稱在室溫和常壓下工作。然而，兩項研究的結論現已被廣泛否定。
這些研究的喧囂掩蓋了一個更微妙且有趣的真相：尋找實用超導體的研究正迅速推進，人們終於感到這個領域正在迎來轉機。過去幾年，實驗上的突破不斷湧現，而理論學家也在精煉從零預測新超導材料組成的方法。
「我們這一代人記得，當時絕對確定不會有室溫超導體，」牛津大學物理學家J.C. Séamus Davis說，「但現在我們意識到自己錯得有多離譜。」
1911年，物理學家Heike Kamerlingh Onnes發現，在-270°C(絕對零度以上3°C)時，汞的電阻突然消失。沒人預料到這種現象。包括愛因斯坦在內的頂尖物理學家都試圖解釋這一現象。直到近50年後，三位物理學家John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer才破解了這個謎團。他們提出的BCS理論被認為是20世紀科學的巔峰之作，既簡潔又具有強大的預測能力。
要理解這一理論，想像進入超導材料的內部，帶負電的電子通過正電荷原子核構成的晶格移動，形成電流。當電子移動時，它吸引附近的原子核，產生正電荷的波動。這吸引了另一電子，仿佛用繩子牽引著它。這對電子，即Cooper對，免受通常導致電阻的晶格振動的影響。
除非晶格振動劇烈到足以斷開Cooper對的「繩子」。在物理學中，更多的熱量意味著更多的振動，這解釋了為何根據BCS理論，超導性通常在低溫下出現。BCS理論也提出了一個預測：晶格原子較輕的材料會在更高溫度下實現超導。較輕的原子更容易波動，形成更牢固的電子對。
該理論解釋了當時所有已知的超導體，如鉛、鈮、錫以及最初的汞。所有這些材料的臨界溫度都在絕對零度附近。
1986年，IBM蘇黎世研究實驗室的J. Georg Bednorz和K. Alex Müller意外發現銅氧化物基材料(鈣鈦礦)在相對溫暖的-238°C下具有超導性。幾年內，其他研究團隊發現類似材料在更高溫度下工作，最高達到-180°C。這一發現震驚了科學界。這些材料不僅被認為是絕緣體，通常不導電，而且完全違反了BCS理論，後者堅持只有由非常輕的原子組成的材料才能在較高溫度下實現超導。銅和氧不符合這個條件。這些鈣鈦礦因違背BCS正統理論而被稱為「非常規」超導體。
儘管如此，這些材料的性能不斷提高，但僅到一定程度。如今，最佳的非常規超導體在約-140°C的溫度下工作，這已足以應用於一些領域，例如製造MRI機中的強磁體。我們用液氮將它們冷卻到極低溫度。
但人們真正渴望的是一種可以在任何地方使用的超導體，一種能夠徹底變革電力網絡的技術靈丹。為此，我們需要一種方法來超越理論，測試非常規超導體內部電子的行為。
2022年，Davis和他的同事們通過掃描隧道顯微鏡成功實現了這一目標，這種儀器通過金屬針掃描樣品表面，電子從針跳到被檢查的材料上。他們分析了一種特定的鈣鈦礦超導體，使用了兩根略有不同的針，其中一根本身就是超導的。這使得研究人員能夠獲得Cooper對的分布圖。「這幾乎花了我不到30年，」Davis笑道，「之前沒有任何技術能可視化Cooper對。」
團隊發現，Cooper對在材料與針之間電子跳躍最容易的地方最為集中。根據Davis，這強有力地支持了已故諾貝爾獎得主Philip Anderson提出的非常規超導性假說。他認為，在鈣鈦礦中，電子不是像BCS理論那樣連續移動，而是通過關聯一種稱為自旋的量子力學性質配對——一個電子向下自旋，下一個電子向上自旋，以此類推。
要完全接受Anderson的假說，實驗需要在各種非常規超導體上重複進行。如果這個假說得到驗證，研究人員可以自信地利用這一理論預測新型、性能更好的超導體結構。然而，這並不容易——Anderson的理論涉及比BCS理論更複雜的電子間相互作用，即使是最先進的超級計算機模擬也非常繁重。
（示意圖）
人工智慧與超導體
不過，也許我們根本不需要從基本原理出發進行預測。這是人工智慧帶來的希望，人工智慧正被越來越多地視為根據現有實驗數據趨勢尋找更好超導體的方法。
去年，馬里蘭州約翰霍普金斯應用物理實驗室的Christopher Stiles帶領的團隊利用SuperCon資料庫訓練了一種AI算法，該資料庫包含超過16000種已知超導體及其工作溫度。在初步計算中，AI預測了數十種可能的超導材料。研究人員從文獻中知道其中一些實際上並非超導體，於是把這些預測擱置一旁，製作了少數其他推薦的化合物。
這些化合物也不特別，於是團隊將所有負面數據重新輸入算法並重新運行。仍然沒有結果。
研究人員重複這一過程，到第四次疊代時，AI給出了他們想要的結果：六種超導體的預測，其中五種已被證明是真實的(儘管未包含在最初的訓練數據中)。他們謹慎地合成了另一種未測試的合金——鋯、銦和鎳的合金。果然，當他們將其冷卻到-264°C以下時，它變成了超導體。雖然不夠暖和以震撼任何人，但證明了AI的潛力。
Stiles不知道鋯合金的工作機制，算法也不知道。它不需要知道：像所有AI一樣，其預測歸結為統計分析。而且它只會變得更好。「通過這種方法，你輸入的數據越多，預測性就越強，」Stiles說，「不像我——我輸入的數據越多，早期數據就越容易忘記。」
或者，我們回到BCS超導體。幾十年來，這似乎沒有前途，因為它們幾乎都在絕對零度以上不多的溫度下工作。但至少它們有一個明確的規則指引更高溫度操作的方向：使用較輕的原子。確實，表現最好的超導體可能是傳說中的金屬氫，這種最輕元素的金屬形式，科學家們已嘗試合成近90年。下一個最佳選擇可能是超導氫化物，包含儘可能多氫的合金——正是這些合金突然點燃了該領域的熱情。
（示意圖）
氫化物與鎳酸鹽
2015年，基於前一年有前途的預測，德國美因茨馬普化學研究所的團隊嘗試了硫化氫。他們將樣品置於90 GPa的壓力下，約為大氣壓的百萬倍，發現它在-83°C下開始超導，比最好的鈣鈦礦高出近60°C。其他結果迅速積累。鑭超氫化物，含有每個鑭原子10個氫原子的合金，特別引人注目。到2018年，它在-23°C下表現出高壓超導性。一年後，它在-13°C(9°F)下工作。
隨著研究接近室溫，超導性研究變得前所未有的激烈。這也許在某種程度上解釋了對紅物質和LK-99的狂熱。紅物質論文現已應部分共同作者的請求撤回，他們指出數據不準確等問題。與此同時，重複LK-99實驗的嘗試均告失敗。科學家抱怨說他們不再知道該信任什麼，目前沒有共識超導體工作的最高溫度是多少，或在哪種材料中。
可以說，這無關緊要。所有實驗研究的超導氫化物僅在高壓下工作，約300 GPa，幾乎是地心的壓力。實現這一目標需要微小的樣品和金剛石壓砧——像擰緊螺絲釘，但用一對對抗的鑽石施加巨大的力量。顯然，即使高壓氫化物達到室溫里程碑，實際應用也很少。
僵局了嗎？理論學家普遍同意，涉及氫和另一種元素的簡單氫化物在不受高壓的情況下，不能超導到遠超過室溫。同樣，原始的非BCS超導體鈣鈦礦也遇到了某種瓶頸：進展在1990年代中期停滯。「這令人難以置信，」劍橋大學理論學家Chris Pickard說，「你看到這些記錄臨界溫度的曲線急劇上升，但隨後趨於平緩。」
然而，還有其他途徑可以探索。2019年，加州史丹福大學的團隊發現，類似鈣鈦礦但鎳原子代替銅的材料也能作為非常規超導體。目前，這些「鎳酸鹽」的最高臨界溫度約為-193°C，遠遠落後於其他材料。然而，這一發現為物理學家提供了全新的一組材料進行研究和優化。
除此之外，我們在2006年發現了另一類基於鐵的超導體，儘管它們目前在標準大氣壓下的最佳表現是-217°C。但重點是，這擴展了我們的實驗空間。「我們從一種高溫超導體家族擴展到四種，」英國布里斯托大學的Sven Friedemann說。「這表明多條路徑可以通向室溫超導性，讓我對室溫超導性在常壓下實現充滿樂觀。」
目前，許多希望寄托在氫化物上——但更複雜的氫化物，涉及除氫之外的兩種元素，而不是一種。計算表明，額外的元素可以幫助穩定原子結構，使高壓變得不必要。今年早些時候，一個國際團隊對超過一百萬種這樣的氫化物進行了理論篩選，發現一部分含鎂的氫化物應該能在常壓下在約-170°C下超導。與此同時，另一國際研究團隊，包括Pickard，也證實了這一結果，並確定了一種特定的鎂-銥氫化物應該能在-113°C下超導。「如果我們是對的，我們在常壓下已經超越了鈣鈦礦，」Pickard說。
正如他所承認的，這些研究可以有兩種解釋。好消息是高溫超導在不受高壓的情況下是可能的。壞消息是廣泛的搜索仍未發現任何室溫候選者。「這是好的，」Pickard說，「但還不夠好。」
然而，正如超導性研究中常見的情況，驚喜可能隨時到來。在三月份的美國物理學會會議上，芝加哥伊利諾伊大學的Adam Denchfield展示了一種尋找有前途氫化物的新方法。他和同事們不是試圖找出如何降低已知超導氫化物的壓力，而是反其道而行之：從已知在常壓下穩定的氫化物開始，看看如何調整它們以實現高溫超導。他們發現一種散布著鋰的特定釔氫化物，若調整鋰含量，應該能在-53°C下超導。
你可能會認為這仍不是室溫。但這個數字有誤差範圍，「它們可以向兩個方向延伸，」Denchfield在會議上說。他指出，鑭超氫化物的理論預測臨界溫度比測量值低60°C。釔氫化物的-53°C是否也是類似的低估？如果是這樣，室溫突然看起來並非遙不可及。
