朝著原以為2840年才能實現的夢想邁進！

1911年，人們首次在4.2K（溫度單位開爾文，約等於零下269度）的臨界溫度之下，觀察到了固態汞的超導性，讓汞得以在沒有任何阻礙的狀態下進行導電。從那以後，無數科學家一直試圖找到臨界溫度能超過室溫的材料。但這似乎是一件很難實現的事，如果對從1911年到1970年的研究進展進行線性外插，那麼就會得出——臨界溫度將在2840年左右才能達到室溫的結論！

在銅氧化物中發現的高溫超導性將臨界溫度提高到了液氦的溫度以上。自1994年以來，一種銅氧化物一直保持著最高臨界溫度記錄，其溫度值在大氣壓強和高壓下分別為133K和164K。

儘管進行了大量研究，但科學家仍用了20年的時間才打破這一記錄：2015年，人們發現當硫化氫（H?S）被壓縮到150GPa（約為地球核心壓力的40%）時，就會發生超導相變，其臨界溫度臨界溫度為203 K（約零下70度）。

人類發現超導體的歷史（截至2015年），縱軸為臨界溫度，橫軸為年份。藍色菱形：銅氧化物，右上角的綠色圓圈：硫化氫。| 圖片來源：Pia Jensen Ray

最近，兩個獨立的研究團隊（分別由喬治華盛頓大學的 Russell Hemley和馬克斯·普朗克化學研究所的Mikhail Eremets帶領）通過實驗發現，一種氫化鑭（LaH??）在被壓縮到170-185GPa時的臨界溫度能達到250-260K。這項結果對於尋找室溫超導體來說是個好兆頭，這意味著在北極普通的冬日夜晚，這種材料不需要冷卻就能展現出超導性！

1968年，物理學家Neil Ashcroft根據BCS理論（由巴丁、庫珀和施里弗於1957年提出，該理論認為移動電子會形成「電子對」，在晶格中可以無損耗的運動，就會形成超導電流）預測，金屬氫應該具備高溫超導所需的所有特性。可惜在靜態壓縮實驗中，氫的金屬化是極為困難的。

當氫氣被充分壓縮，經過相變後會生成金屬氫，金屬氫中的電子脫離分子軌道，表現為一般金屬中的自由電子。木星、土星這一類氣態巨行星的內部可能含有大量的金屬氫（圖中木星的灰色部分）。| 圖片來源：NASA/R.J. Hall

Ashcroft還進一步預測，與元素氫相比，某些富含氫的固態物質或許可以在更低的壓力下轉變為金屬態，而且它們將具有同樣的有助於高溫超導的性質。這加速了對壓縮氫化物（氫原子與其他元素結合形成的固體）中的超導性的搜尋。

為了研究這些壓縮材料的超導性，研究人員需要進行靜態高壓實驗，將材料擠壓到金剛石壓砧（DAC）中。這樣的實驗代價高昂，在技術上具有挑戰性，而且很難進行解讀。更重要的是，能穩定存在於高壓下的材料相與在大氣條件下是不同的。因此，基於量子力學所進行的計算對指導這些實驗來說就變得極其重要，特別在確定有前景展現出超導性的化合物方面。

左：金剛石壓砧方案被用於研究LaH??在靜態高壓下的行為。右：Hemley和Eremets兩個團隊觀察到的LaH??籠狀晶體結構的草圖，這種結構被認為是其高溫超導性的原因。| 圖片來源：APS/Alan Stonebraker

在過去十年里，這些理論和計算技術都集中在二元氫化物上。對於含有鹼土金屬或稀土金屬的氫化物，研究人員計算得出了極高的臨界溫度值，有些甚至超過了室溫。例如，2017年的時候，Hemley和馬琰銘帶領的研究小組預測，在金剛石壓砧可達到的壓力下，某些含氫元素比重較大的稀土金屬氫化物將變得穩定。

這些富含氫的材料的晶體結構類似於所謂的籠形複合物的籠狀結構。氫化鑭是最有前景的氫化物之一，它是由正方形或六邊形的多面體組成的氫晶格，每個多面體的中心都有一個稀土金屬原子。假設這個系統可以用BCS理論描述，研究人員預測，在大約200GPa的壓力下，它的臨界溫度會介於270到290K之間。

在2018年初，Hemley的團隊成功合成了LaH??。現在，Hemley和Eremets的團隊已經報道了在金剛石壓砧內的極端壓力下，LaH??所具有的超導性的實驗特徵。為了在微米級的LaH??樣品內部準確測量其電阻，兩組研究人員都必須確保樣品和電極之間的良好接觸，並且還要控制樣品的組成和條件，例如防止其形成額外的物相。

Hemley的團隊開發了一種新型的合成技術，他們以硼烷氨（NH?BH?）為氫源對LaH??進行原位合成。當樣品在185GPa的壓力下冷卻時，他們觀察到顯著的電阻降低現象，這表明260K是它的臨界溫度。第二組實驗表明，在200GPa的壓力下，臨界溫度可以達到280K。X射線衍射測量表明，超導相可能是LaH??，並排除了電阻下降是由溫度誘導的結構轉變引起的可能性。

Eremets的團隊通過元素鑭或三氫化鑭（LaH?）與氫的直接反應來合成鑭氫化物。他們觀察到了電阻的急劇下降，由此得出臨界溫度與壓力的關係。LaH??的最高臨界溫度大約為250K，這是在大約170GPa的壓力下測得的結果。另一種未被識別的氫化物的相與LaH??共存於同一樣品中，它的臨界溫度為215K。

Eremets的團隊還觀察到了超導性的兩個特徵痕迹：首先，施加磁場降低了臨界溫度，這符合對第二類BCS超導體的預期狀況；其次，臨界溫度表現出所謂的同位素效應——當氫被較重的氘取代時，臨界溫度會降低。

這些數據都強烈暗示了超導性，但要想確鑿疑問地證明超導性，還必須要觀察邁斯納效應——當一種材料從一般狀態相變至超導態時，對磁場產生的排斥現象。然而，測量邁斯納效應是非常困難的：以之前的最高臨界溫度記錄保持者——硫氫化物為例，它的邁斯納效應是在超導性被首次報告的幾年之後才最終得以證明。由於鑭氫化物樣品明顯小於硫氫化物樣品，因此要證明LaH??的邁斯納效應將需要大量的實驗工作。

要識別樣品中包含的多種晶格還需要進一步的理論和實驗研究。數據表明，其中一種晶格極有可能是LaH??，但其他結構是什麼仍是未知。這些信息對於理解晶體結構和超導性之間的關係至關重要，或許還有助於揭示可能具有更高臨界溫度的新的超導相。LaH??的高臨界溫度必然會鼓舞實驗人員對類似系統的研究，氫化釔就是一種可能，據預測，它的臨界溫度可超過室溫。

在超導領域，大多數突破都是出乎意料的，它往往違背當時的傳統智慧。氫化物的例子表明，情況可能不再如此：我們可以通過理論計算來合理設計高臨界溫度的BCS超導體新材料。計算技術的進步將使我們有可能找到其它的複雜材料類型，與LaH??等二元氫化物不同，它們在解壓時可能仍能保持穩定。而用於晶體合成與表徵的新技術將能使我們對理論想法進行實驗驗證。

多虧了這種理論和實驗之間的反饋迴路，我們可能很快就能夠製備出一種超導體，它可以在接近室溫的條件下，在比金剛石壓砧簡單得多的設備（比如將粉末壓縮成藥片的壓力機）內就能夠實現的壓力下，表現出超導特性。

撰文：Eva Zurek

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