3月8日,，室溫超導(dǎo)這四個(gè)字讓物理界“狂飆”了起來(lái)！Nature于凌晨正式發(fā)表了Dias團(tuán)隊(duì)的新論文,。時(shí)間戳顯示,，這篇論文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收,。
羅徹斯特大學(xué)的Dias團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng),，他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體，該超導(dǎo)體是由氫,、氮,、镥三種元素組成的三元相，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,，其在大約10kbar（也就是1GPa,，約相當(dāng)于1萬(wàn)個(gè)大氣壓）下可以實(shí)現(xiàn)約294K（也就是約21℃）的室溫超導(dǎo)電性。
聽(tīng)聞這個(gè)消息有些網(wǎng)友已經(jīng)沸騰了,，直言這研究結(jié)果如果是真的,，諾獎(jiǎng)直接抱回家！有網(wǎng)友說(shuō)如果真的是能實(shí)現(xiàn),，意味著包括可控核聚變,、量子計(jì)算在內(nèi)的領(lǐng)域，全都會(huì)被新的技術(shù)顛覆,。
那么室溫超導(dǎo)究竟是啥,，對(duì)我們現(xiàn)在的技術(shù)和生活有什么影響？
01 超導(dǎo)的定義和價(jià)值
超導(dǎo),，指導(dǎo)體在某一溫度下,，電阻為零的狀態(tài)。人們把處于超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體稱(chēng)之為“超導(dǎo)體”,。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失,，被稱(chēng)作零電阻效應(yīng),。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗,，也不會(huì)出現(xiàn)壓降,，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線(xiàn)中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng),，醫(yī)院的核磁共振便是用了此技術(shù),。
當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去,。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周?chē)拇艌?chǎng)突然發(fā)生變化,，磁力線(xiàn)似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了,，人們將這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“邁斯納效應(yīng)”。
超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景,。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車(chē)和超導(dǎo)船,，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性,，并有效減少機(jī)械磨損,。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上,。
超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體,。
超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗,。但現(xiàn)有的超導(dǎo)體還處于必須用昂貴的液氦制冷,，只有少部分銅基超導(dǎo)體可以使用液氮制冷來(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。
當(dāng)我們使用增大電流來(lái)增加磁場(chǎng)的方式時(shí),，隨著電流的增加,，焦耳熱會(huì)按平方增加，大部分的電流能量都轉(zhuǎn)換為了內(nèi)能損耗了,，如果我們使用超導(dǎo)體制作線(xiàn)圈產(chǎn)生電流,，由于超導(dǎo)體沒(méi)有電阻，就不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,，于是幾乎可以無(wú)限的提升電流強(qiáng)度來(lái)獲得高強(qiáng)磁場(chǎng),。
因此，如果室溫超導(dǎo)真的成立,，那對(duì)我們的科技和人類(lèi)社會(huì)都有質(zhì)的改變,，粒子對(duì)撞機(jī)、可控核聚變、量子計(jì)算機(jī),、超導(dǎo)輸發(fā)電,、超導(dǎo)電器等等都會(huì)得到重大突破！
02 Dias研究團(tuán)隊(duì)的研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)析
同大部分超導(dǎo)的文章一樣,，Dias研究團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品電輸運(yùn),、磁化率及比熱進(jìn)行了測(cè)量。
首先是電阻的測(cè)量結(jié)果,，左圖中給出了10,、16,、20kbar（1,、1.6、2.0GPa）下的電阻測(cè)量結(jié)果,，三個(gè)電壓下電阻都降低到了0,，這正是超導(dǎo)體的主要特征之一，需要注意的是,，這里1GPa時(shí)Tc是最高的,，壓強(qiáng)越低，Tc越高,，是一個(gè)令人意外的結(jié)果,。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的V-I曲線(xiàn),。
這張圖是對(duì)磁化率的測(cè)量,，a圖是60Oe（Oe是高斯單位制中表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的單位，可以理解為高斯,，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩隨溫度的變化圖,，可以明顯看到其Tc為277K（4℃），b圖給出磁矩與外磁場(chǎng)的關(guān)系,，也符合超導(dǎo)體的特征,，c圖則是不同壓力下的M-T曲線(xiàn)，這里的Tc與電阻上的保持一致,，轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小,，是非常好的轉(zhuǎn)變。不過(guò)在a圖中也可以看出來(lái)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)做了一定處理,。
這里多提一句,，磁化率的測(cè)量會(huì)明顯受樣品形狀、背底等因素的測(cè)量,，理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性（即4πχ=-1）,，但實(shí)際測(cè)量中測(cè)不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。當(dāng)然Dias的文章中并沒(méi)有約化，a圖中縱軸是磁矩,，并非磁化率,。
Dias還對(duì)比熱進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如上圖所示,，這里給出了10,、10.5、20kbar的測(cè)量結(jié)果,，可以看到,，三個(gè)比熱的曲線(xiàn)均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變，Tc與電阻的測(cè)量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解,，這個(gè)結(jié)果是合理的,。不過(guò)該說(shuō)不說(shuō)，這個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯,，尤其是10.5kbar的曲線(xiàn),，峰并不明顯，10kbar的轉(zhuǎn)變也尚不如20kbar明顯,。這三個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變看起來(lái)也有些區(qū)別,，尤其是10kbar和10.5kbar的數(shù)據(jù)，僅差了0.5kbar,，但圖像差異卻很大,。不過(guò)考慮是高壓下測(cè)量的，或許有一些我們不知道的困難吧,。
Dias還給出了樣品的XRD（X射線(xiàn)衍射）結(jié)果,，并繪制了晶胞圖像，這當(dāng)然也是必要的,。
a圖即XRD結(jié)果,，他們采用了Mo靶，紅線(xiàn)是理論計(jì)算的結(jié)果,，圓圈是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果,，藍(lán)線(xiàn)是二者的誤差，看得出來(lái),，測(cè)量與計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小,，樣品可以說(shuō)是一個(gè)純相，Dias團(tuán)隊(duì)計(jì)算樣品占比為92.25%,，雜質(zhì)為L(zhǎng)uN1?δHε和Lu2O3,。
b圖則是他們繪制的晶胞圖，白色原子是氫,，綠色的是镥,，粉紅色的是氮原子,，他們給出的樣品化學(xué)式是LuH3?δNε，61kbar時(shí)空間群是Fm-3m和Immm,，但Dias認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者,。
最后是該樣品的超導(dǎo)相圖（原文這是第一張圖），Tc隨著壓強(qiáng)升高而減小,，這是出乎大家意料之處,，后面或許也將成為研究的重點(diǎn)，b圖是樣片形貌隨著壓強(qiáng)的變化,，常壓下是藍(lán)色的,，隨著壓強(qiáng)升高逐漸變?yōu)榉奂t，最終呈現(xiàn)紅色,，樣品的顏色還是非常喜慶的,。
篇幅有限，支撐材料就不帶大家一起看了,，感興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)nature官網(wǎng)查看,。
Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature
03 業(yè)界的質(zhì)疑
研究團(tuán)隊(duì)有黑歷史,，Ranga Dias本人也爭(zhēng)議纏身,。
2020年10月15日，該團(tuán)隊(duì)曾在《自然》雜志刊文,，稱(chēng)他們?cè)?60萬(wàn)個(gè)大氣壓下,，成功創(chuàng)造出了臨界溫度約為15℃的室溫超導(dǎo)材料，這也是人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo),。該文章還成為當(dāng)月《自然》封面文章,，引起軒然大波，因?yàn)橥ǔ?lái)說(shuō),，超導(dǎo)現(xiàn)象離不開(kāi)極低的溫度,。但后來(lái)Nature認(rèn)為Dias他們的數(shù)據(jù)處理方式有問(wèn)題，并且其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也一直未能被成功復(fù)現(xiàn)于是強(qiáng)制撤稿了,。
并且在20218月15日,，物理學(xué)家Jorge Hirsch在驗(yàn)證數(shù)據(jù)之后，認(rèn)為該論文的磁化率數(shù)據(jù)有問(wèn)題,，直接質(zhì)疑Dias團(tuán)隊(duì)用多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合數(shù)據(jù)“是一種捏造”,，是“一場(chǎng)科學(xué)騙局”。
并且Dias本人曾經(jīng)在17年發(fā)表的論文宣布合成了首個(gè)金屬氫,，然而論文發(fā)表后研究團(tuán)隊(duì)稱(chēng)由于操作失誤,，該金屬氫樣本已經(jīng)消失。
總結(jié)
雖然因?yàn)橐酝氖录?dǎo)致眾多科學(xué)家對(duì)Dias的研究團(tuán)隊(duì)不夠信任,，但本次研究Dias給出了很多原始數(shù)據(jù),，實(shí)驗(yàn)條件僅需要1GPa的壓強(qiáng)，重復(fù)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，希望能盡快有一個(gè)定論,，一旦該研究被證實(shí)是真的,，那我們將見(jiàn)證改變世界的一刻。