室温超导圣杯这次要大结局了吗？ 当前看点

刚刚在物理学的盛会——美国物理学会的三月会议——上，爆出了一个大新闻。来自罗彻斯特大学的Ranga Dias宣布，他们团队在近常压（Near Ambient Pressure）下实现了室温超导。

(资料图)

报告的题目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure

翻译一下：近环境压强下观测到的金属氢化物室温超导现象

网址：https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2

Ranga Dias小组在三元氢化物（Lu-N-H，虐称“卤蛋氢”）中实现了在1GPa（或1000 MPa），20°C的超导电性。所谓“三元”是说有三种元素，氢化物是氢和别的元素形成的化合物。N和H都是我们熟悉的元素，Lu（Lutetium，镥）稍陌生，它的原子序数是71，电子结构是：4f14 5d1 6s2

以下是Dias报告的摘要：

【1】

超导现象很牛，它在磁悬浮列车、核聚变等一系列重要领域有重要应用。其标志是存在一个临界温度Tc，当温度低于这一温度时会有：1.零电阻现象；2.迈斯纳效应（完全抗磁性）。

超导转变温度20°C，意味着这种三元氢化物在室温时就会具有零电阻现象和迈斯纳效应。Ranga Dias在报告中给出了三个实现室温超导的证据，除零电阻，迈斯纳效应（磁化率测量）外，还给出了比热测量的数据（超导转变的特征是存在比热跳变）。可以说是相当具有诚意。

同时，这一工作的重要性还在于，其实现室温超导所需的高压不是很高，1000MPa（相当于大约1万大气压）已经接近普通等静压机的能力，500MPa是等静压机的标准规格，如果你提出需求的话，1000MPa也完全没问题。这标志着，商用的室温超导已经在向我们招手了。

左图卖的是500MPa的等静压机，右图说是能定制1000MPa的等静压机。

当然，我们还需要其他研究组独立地重复此项工作，实际上这个领域的工作是颇具争议的。Ranga Dias是一位来自于斯里兰卡的物理学家，其主页上显示，他本科2006年毕业于斯里兰卡的Colombo大学，然后2013年在美国的华盛顿州立大学获得博士学位。Dias的研究领域是极端条件下（比如高压）的氢化物的量子现象。

Ranga Dias

2020年，Dias小组已经在Nature发表过一篇类似的工作了，宣称：三元氢化物（C-S-H）在267GPa的超高压下实现了转变温度为15°C的超导电性。这项工作一出来，就被誉为是诺奖级的工作。可惜的是由于其他物理学家实在重复不出这个结果，而被Nature在2022年9月撤稿了。值得一提的是：完全抗磁性测量在实验上很困难，往往需要扣除背底信号，这部分“非常规”操作往往是很有争议的。并容易受人的主观思想（wishful thinking）影响。

2022年9月，C-S-H超导文章惨被Nature撤稿

仅仅过了不到半年，Dias就带着新的三元氢化物（N-Lu-H）卷土重来，在不那么极端的高压（1GPa）下，实现了更高的超导转变温度。压强更低了，Tc更高了。惊不惊喜？奇不奇怪？

本来267GPa，我们还需要金刚石对顶砧实现超高压，现在立马降到了穷人也能试一试的1GPa（注：Dias这次还是用金刚石对顶砧做的实验），想必这次会有更多的组来重复吧？是否重复得出来，是物理学家们绝好的打赌机会。

金刚石对顶砧

【2】

临界温度越高，超导就离实际应用越近，比如上世纪80年代发现的铜氧化物就被称为高温超导体，因为它在液氮温区（77K或-195.8°C）可实现超导电性。这已经是了不起的进步了，因为液氮很便宜。变态的物理学家，还希望实现室温超导（20°C左右），这样做的好处是可以摆脱制冷设备，同时也可以推进我们对超导电性的理解。

不奇怪，室温超导被誉为物理学家们的圣杯，当然压强不能太高，缺省我们就认为是1个大气压吧，或者叫常压下。

经典的超导电性理论认为“电子-声子”相互作用是导致电子配对的机制，换句话说，低于临界温度Tc时，电子会进入“新”的量子态，即自旋、动量相反电子两两配对的态。按照这种“电子-声子”相互作用图像，会有所谓同位素效应，简单说就是：

这里M是离子的质量，M越小，超导转变温度Tc就越高，显然氢（H）是最小的。这意味着，在BCS框架下，如果我们能实现金属氢，它将具有最高的超导转变温度。但可惜的是，氢和氢之间的相互作用太弱了，通常氢是以气体的形态出现的，或者我们就需要用超级超级巨大的压强把H压为金属氢。

Dias们的工作可以说是这个简单思路的延续。

金属H太难了，怎么办呢？一个自然的思路是给里面引入其他的元素，就好比我们本来要把氢给约束为固体，这太难了，我们就引入其他元素给氢造个笼子（或房子），把H约束在这个笼子里，这是为什么人们会在氢化物中寻找Tc更高超导体的原因。

LaH10结构示意：La，红球；H，绿球。

最早尝试的自然是二元的氢化物，在极端高压条件下，物理学家在SH3中实现了155GPa，203K（-70°C）的超导体，然后在LaH10中实现了190GPa，260K（-13°C）的超导体（注：这两项工作是被很多物理学家证实的）。自然，下一步就是三元氢化物了。

绿色代表可以用BCS机制描述的超导体，高压下的氢化物具有最高的超导转变温度。

上图，绿色代表可以用BCS机制描述的超导体，高压下的氢化物具有最高的超导转变温度，并已无限接近室温（红色虚线），图中最高的绿色点（HxSxCx，267GPa）就是被Nature撤稿的工作。

但是，在这里我们碰到一个“复杂性”的问题，元素周期表中100多种元素，固定H元素，完全随机地试，对三元氢化物来说，我们需要试10000种可能性，这还没有考虑各种元素的比例。显然，我们不能随机地试，最好得有个大概齐的方向，试最可能的几种。这就是所谓材料设计了。

倒数第二行，最后一个元素就是Lu

在BCS的框架下，Tc由“电-声子”耦合强度决定，而“电-声子”耦合强度是由Eliashberg谱函数α^2F(ω)计算出来的。因此，我们就需要计算很多三元氢化物的Eliashberg谱函数。这个计算不是很快，但现在我们有机器学习/人工智能，实际上物理学家是基于ML/AI来计算这很多很多种三元氢化物的Eliashberg谱函数的。

用机器学习/人工智能产生Eliashberg谱函数

现在我们知道了，今天的这个刷屏大新闻，幕后的英雄还是ML/AI。其大概步骤是物理学家用比较容易算出来的Eliashberg谱函数来训练神经网络，训练好后，再用神经网络生成更多比较难算的三元氢化物的Eliashberg谱函数。然后我们就能计算出各种三元氢化物的Tc，接下来，我们只需试几种Tc最高的三元氢化物即可。

【3】

小结一下，我们有三个关注点：

1. 这项工作是否会被其他组重复，进而会不会有真正的常压下的室温超导体被筛选出来。

2. 如果(1)成立，那么这将是BCS理论的又一次胜利，也许超导电性真的会被一个BCS框架的超导理论所统一解释。

3. 什么都别说了，学习ML/AI吧，这将是所有未来创新型工作的通用工具包。

作者：@ianwest

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