高压材料的超导性可维持至15 °C

热点：在Rochester实验室发现超导体。Adam Fenster供图。

研究人员在高达15 °C的温度并在极大压力下观察到富氢材料的超导性，这比之前的高温记录提高了约35度。这种碳质硫氢化物材料是由美国University of Rochester和University of Nevada Las Vegas的Ranga Dias以及同事共同制造研究的，他们称通过改变材料的化学成分有可能降低实现室温超导性所需的压力。

超导体携带无电阻的电流，它具有从 MRI 扫描仪和粒子加速器中使用的高场磁铁到量子计算机中使用的量子位等一系列应用。现在基于超导体的实用器件必须冷却到非常低的温度，这个过程花费非常昂贵，而且涉及到氦的使用，氦是一种有限的自然资源。因此，凝聚态物理学家的长期目标是开发一种在室温下实现超导体的材料。

2015年，德国Max Planck Institute for Chemistry和Johannes Gutenberg University Mainz的Mikhail Eremets及其同事取得了巨大突破，他们在超过大气压力约150万倍和203 K(–70 °C)的温度条件下观测到硫化氢样本的超导性。这一新记录是寻求室温超导体的一大进步，这项纪录印证了理论预测，即富氢材料可提供实现室温超导的新方向。事实上氢原子的金属状态预计在极高压下可以发生，但尚未完全实现，它有可能在室温下成为超导体。

西伯利亚的冬天

2019年初，Eremets的团队和美国George Washington University的Russell Hemley领导的一个小组报告了在约–20 °C的温度下实现了超导性，这个温度是俄罗斯和加拿大广袤地区典型的冬季温度。

现在Dias和他的同事已经把温度升高到了15 °C，巧合的是这也是地球的平均表面温度。他们通过将碳加入硫化氢，这是通过在光化学过程中将甲烷和硫化氢混合而完成的。Dias告诉《Physics World》，他的团队的成功部分归功于他们的合成技术的精确性，这种技术在相对较低的压力下完成。他解释道，“光化学过程对于将甲烷和硫化氢引入起始材料至关重要，这种起始材料只有掺入精确量的氢气才能表现出优异的性能。”

研究小组将样品放在金刚石砧板的钳口处，然后挤压到大约140万到270万倍数之间的大气压力。他们发现超导过渡温度在约220万倍的大气中急剧上升, 在约260万大气压下达到最高温度15 °C。

超导体的标志

据Dias说,研究小组能够进行三次测量来确认该材料确实是超导体。使用双探针和四探针技术测量样品的电阻，这样确保样品的电阻确实为零。研究人员还测量了过渡温度作为应用磁场的函数，并发现温度随着磁场的增加而下降，这是典型的超导体的标志。最后他们观察到该材料排斥磁场线，这是超导体的另一个特征。

研究过程有一个缺陷，但是可能会成为下一个重要突破口：研究小组不知道材料在非常高的压力下的晶体结构以及精确的组分(碳、硫和氢原子的比例)。Dias说研究人员“对化学组分有一些认识，但不知道确切的答案。”确定材料的晶体结构是困难的，因为组成原子太轻，研究人员使用X射线衍射观察不到。Dias 说，“我们一直在开发一套新的工具来解决这个问题。” 一旦研究小组对晶体结构和化学组分有更好的了解，他们希望能够在较低的压力下对材料进行化学调整，使其成为室温超导体。

在谈到这一最新成果的意义时, Mikhail Eremets告诉《Physics World》，“我们应该牢记，真正的室温超导体应该处于常压环境下，这样才可以做进一步的应用。”他补充说。从2015年开始的关于硫化氢的高压研究为寻找常压环境以及室温的超导体提供了重要信息。他说这种超导体很可能是三元化合物。Eremets还认为这一最新的温度记录不会长期存在，他指出“在高压下有理论预测认为其超导性甚至会超过400K。”

这项研究成果发表在《Nature》上。