物理界“狂飙”！Nature刊发新研究：21℃的室温超导体
2023-03-09
来源：ChinaAET
3月8日，室温超导这四个字让物理界“狂飙”了起来！Nature于凌晨正式发表了Dias团队的新论文。时间戳显示，这篇论文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收。
罗彻斯特大学的Dias团队宣称，他们发现了近常压的室温超导体，该超导体是由氢、氮、镥三种元素组成的三元相，该研究团队认为，其在大约10kbar（也就是1GPa，约相当于1万个大气压）下可以实现约294K（也就是约21℃）的室温超导电性。
听闻这个消息有些网友已经沸腾了，直言这研究结果如果是真的，诺奖直接抱回家！有网友说如果真的是能实现，意味着包括可控核聚变、量子计算在内的领域，全都会被新的技术颠覆。
那么室温超导究竟是啥，对我们现在的技术和生活有什么影响？
01 超导的定义和价值
超导，指导体在某一温度下，电阻为零的状态。人们把处于超导态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，也不会出现压降，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场，医院的核磁共振便是用了此技术。
当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。
超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。
超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗。但现有的超导体还处于必须用昂贵的液氦制冷，只有少部分铜基超导体可以使用液氮制冷来使其进入超导态。
当我们使用增大电流来增加磁场的方式时，随着电流的增加，焦耳热会按平方增加，大部分的电流能量都转换为了内能损耗了，如果我们使用超导体制作线圈产生电流，由于超导体没有电阻，就不会产生焦耳热，于是几乎可以无限的提升电流强度来获得高强磁场。
因此，如果室温超导真的成立，那对我们的科技和人类社会都有质的改变，粒子对撞机、可控核聚变、量子计算机、超导输发电、超导电器等等都会得到重大突破！
02 Dias研究团队的研究内容简析
同大部分超导的文章一样，Dias研究团队对样品电输运、磁化率及比热进行了测量。
首先是电阻的测量结果，左图中给出了10、16、20kbar（1、1.6、2.0GPa）下的电阻测量结果，三个电压下电阻都降低到了0，这正是超导体的主要特征之一，需要注意的是，这里1GPa时Tc是最高的，压强越低，Tc越高，是一个令人意外的结果。插图是样品及电极图片。右图则给出了超导态与正常态的V-I曲线。
这张图是对磁化率的测量，a图是60Oe（Oe是高斯单位制中表示磁场强弱的单位，可以理解为高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩随温度的变化图，可以明显看到其Tc为277K（4℃），b图给出磁矩与外磁场的关系，也符合超导体的特征，c图则是不同压力下的M-T曲线，这里的Tc与电阻上的保持一致，转变温度区间也很小，是非常好的转变。不过在a图中也可以看出来研究团队对原始数据做了一定处理。
这里多提一句，磁化率的测量会明显受样品形状、背底等因素的测量，理论上超导体应该表现出完全抗磁性（即4πχ=-1），但实际测量中测不到完全抗磁性（即4πχ＞-1）也是可以理解的。当然Dias的文章中并没有约化，a图中纵轴是磁矩，并非磁化率。
Dias还对比热进行了测量，结果如上图所示，这里给出了10、10.5、20kbar的测量结果，可以看到，三个比热的曲线均能看到超导在比热上的转变，Tc与电阻的测量结果略有区别但完全可以理解，这个结果是合理的。不过该说不说，这个比热的转变并不算明显，尤其是10.5kbar的曲线，峰并不明显，10kbar的转变也尚不如20kbar明显。这三个比热的转变看起来也有些区别，尤其是10kbar和10.5kbar的数据，仅差了0.5kbar，但图像差异却很大。不过考虑是高压下测量的，或许有一些我们不知道的困难吧。
Dias还给出了样品的XRD（X射线衍射）结果，并绘制了晶胞图像，这当然也是必要的。
a图即XRD结果，他们采用了Mo靶，红线是理论计算的结果，圆圈是实际测量的结果，蓝线是二者的误差，看得出来，测量与计算的结果区别很小，样品可以说是一个纯相，Dias团队计算样品占比为92.25%，杂质为LuN1−δHε和Lu2O3。
b图则是他们绘制的晶胞图，白色原子是氢，绿色的是镥，粉红色的是氮原子，他们给出的样品化学式是LuH3−δNε，61kbar时空间群是Fm-3m和Immm，但Dias认为超导相空间群是前者。
最后是该样品的超导相图（原文这是第一张图），Tc随着压强升高而减小，这是出乎大家意料之处，后面或许也将成为研究的重点，b图是样片形貌随着压强的变化，常压下是蓝色的，随着压强升高逐渐变为粉红，最终呈现红色，样品的颜色还是非常喜庆的。
篇幅有限，支撑材料就不带大家一起看了，感兴趣的同学可以点击链接跳转nature官网查看。
Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride | Nature
03 业界的质疑
研究团队有黑历史，Ranga Dias本人也争议缠身。
2020年10月15日，该团队曾在《自然》杂志刊文，称他们在260万个大气压下，成功创造出了临界温度约为15℃的室温超导材料，这也是人类首次实现室温超导。该文章还成为当月《自然》封面文章，引起轩然大波，因为通常来说，超导现象离不开极低的温度。但后来Nature认为Dias他们的数据处理方式有问题，并且其实验结果也一直未能被成功复现于是强制撤稿了。
并且在20218月15日，物理学家Jorge Hirsch在验证数据之后，认为该论文的磁化率数据有问题，直接质疑Dias团队用多项式曲线拟合数据“是一种捏造”，是“一场科学骗局”。
并且Dias本人曾经在17年发表的论文宣布合成了首个金属氢，然而论文发表后研究团队称由于操作失误，该金属氢样本已经消失。
总结
虽然因为以往的事件导致众多科学家对Dias的研究团队不够信任，但本次研究Dias给出了很多原始数据，实验条件仅需要1GPa的压强，重复起来相对简单，希望能尽快有一个定论，一旦该研究被证实是真的，那我们将见证改变世界的一刻。