【編者按】本文由知社學(xué)術(shù)圈的胡萊之教授的撰稿分享，原標(biāo)題為《Nature: 中國(guó)學(xué)者預(yù)測(cè)的203K超導(dǎo)體被實(shí)驗(yàn)證實(shí) | 顛覆所有極限！》。如你也是學(xué)術(shù)圈內(nèi)人士，或者對(duì)科學(xué)領(lǐng)域有專研興趣，可進(jìn)入知社學(xué)術(shù)圈公號(hào)查看。

開(kāi)篇之前，你可帶著這樣的疑問(wèn)：

203K的超導(dǎo)體硫化氫，為什么讓科學(xué)界如此興奮？中國(guó)物理學(xué)家，在這里面起了什么關(guān)鍵作用？

2014年7月7日，吉林大學(xué)崔田教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)給 Scientific Report 投了一篇文章，題為壓力誘導(dǎo)硫化氫的金屬化和高臨界溫度超導(dǎo)性 （Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity）， 計(jì)算預(yù)測(cè)在200 GPa高壓下，硫化氫的超導(dǎo)臨界溫度在191K 至 204K 之間。這個(gè)文章 2014年11月10日在線發(fā)表。

2014年12月1日，德國(guó)馬普所的Drozdov, Eremets和Troyan在預(yù)印本網(wǎng)站 arxiv.org 貼了一篇文章，題為高壓下190K的傳統(tǒng)超導(dǎo)體（Convetional superconductivity at 190K at high pressure），報(bào)道其在硫化氫超導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了中國(guó)物理學(xué)家的理論預(yù)測(cè)。

（編者注：馬普所是馬克斯-普朗克研究所（ MPI）的簡(jiǎn)稱，由近80科研院所組成，涵蓋了對(duì)自然科學(xué)、生命科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、藝術(shù)和人文學(xué)科基礎(chǔ)研究。其前身是德國(guó)的威廉皇帝研究院，而后因馬克斯-普朗克對(duì)德國(guó)科研作出的巨大貢獻(xiàn)而改名。馬克斯-普朗克本人在1918年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，是量子理論的奠基人。馬普所在研究領(lǐng)域的成績(jī)享譽(yù)世界。）

這立刻在科學(xué)界引起旋風(fēng)般的反應(yīng)，有人興奮贊美、有人懷疑觀望，當(dāng)然更多的人是一窩蜂扎進(jìn)去跟風(fēng)。物理學(xué)界重現(xiàn)80年代中期高溫超導(dǎo)和前幾年鐵基超導(dǎo)的研究熱度。

2015年8月17日，馬普所這個(gè)文章在 Nature 在線發(fā)表，轉(zhuǎn)變溫度提高至203K。這個(gè)溫度比之前的記錄，氧化物高溫超導(dǎo)體高壓下的164K，提高了將近40K！ 然而這還不是最讓人意外的。

真正讓人震驚的是，硫化氫屬于傳統(tǒng)超導(dǎo)體的范疇，而在此之前，傳統(tǒng)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度最高紀(jì)錄，只有40K！整整提升了163K！

在超導(dǎo)這個(gè)可歌可泣的領(lǐng)域，一共產(chǎn)生了8個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。有人聞到下一個(gè)諾獎(jiǎng)的氣息了么？會(huì)不會(huì)有中國(guó)人的身影？

為什么物理學(xué)家會(huì)如此的興奮？ 請(qǐng)讓我們走進(jìn)超導(dǎo)體的前世今生。

早期研究

1908年， Onnes 成功制備液氦，并在液氦溫度下研究物質(zhì)熱力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。1911年，他發(fā)現(xiàn)水銀電阻在4.2K以下降為0，并將此特性命名為超導(dǎo)性，從此開(kāi)辟一個(gè)領(lǐng)域，引領(lǐng)潮流100年。1913年，他因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是超導(dǎo)領(lǐng)域諸多諾獎(jiǎng)的第一個(gè)。

此后的進(jìn)展及其緩慢，經(jīng)過(guò)大約半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，元素超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度還定格在10K左右，而化合物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度也不超過(guò)30K。為什么超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度如此之低？

1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，即具有相反自旋和動(dòng)量的電子對(duì)通過(guò)與晶格振動(dòng)聲子的交換作用，互相吸引，形成 Cooper 對(duì)。而這個(gè)Cooper對(duì)可以在晶格中無(wú)阻礙傳輸，是超導(dǎo)的機(jī)制。臨界溫度的存在，則是因?yàn)檩^高溫度下更強(qiáng)的晶格振動(dòng)對(duì)Cooper對(duì)造成破壞。

BCS理論的提出，受到另一個(gè)工作的啟發(fā)。1938年，Kapitsa 發(fā)現(xiàn)液氦的超流性，即不具有粘性。這是因?yàn)檎麛?shù)自旋的粒子可以結(jié)合在一起，形成波色愛(ài)因斯坦凝聚，從而不受其他干擾。Kapitsa 因此工作榮獲1978年代諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。于此相關(guān)，Lee、Osheroff 和 Richardson因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)He-3的超流性，也在1996年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而波色愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)，要等到1995年才在科羅拉多大學(xué)實(shí)現(xiàn)。 Cornell、Ketterle和 Wieman 因此榮獲了2001年代諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

電子自旋是1/2，顯然無(wú)法形成波色愛(ài)因斯坦凝聚。但是組成Cooper對(duì)之后，自旋變?yōu)榱?，就可以產(chǎn)生波愛(ài)凝聚了。這是傳統(tǒng)超導(dǎo)體的奧秘所在。

BCS理論解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象，Bardeen、Copper 和Schrieffer三個(gè)人1972年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這一領(lǐng)域獲獎(jiǎng)的當(dāng)然還有大名鼎鼎的 Landau，1962年因其相變理論，特別是在液氦超流性的應(yīng)用，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。以及 Ginsburg，在2003 年與 Abrikosov 和 Leggett 因在超導(dǎo)和超流領(lǐng)域的理論研究共同獲獎(jiǎng)。傳統(tǒng)超導(dǎo)體獲獎(jiǎng)的工作還有超導(dǎo)隧穿效應(yīng)， 1973年獲獎(jiǎng)。這真是一個(gè)英雄輩出的領(lǐng)域！

其他進(jìn)展

傳統(tǒng)超導(dǎo)體雖然成就了一大批理論物理學(xué)家，實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)展卻極其緩慢，很多年來(lái)，其臨界轉(zhuǎn)變溫度被定格在23K。

直到1980年代初，Bednorz 和 Muller 開(kāi)始在氧化物中尋找超導(dǎo)體，最終在1986年成功合成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LBCO，臨界轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)35K。這立刻掀起了全球范圍的熱潮，包括華人物理學(xué)家朱經(jīng)武和中科院物理所趙忠賢在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)，很快將高溫超導(dǎo)的臨界轉(zhuǎn)變溫度提升到100K以上。Bednorz 和 Muller 因此在一年之后，就獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

鈣鈦礦真是一個(gè)神奇的結(jié)構(gòu)！知社本周將報(bào)道中國(guó)學(xué)者在這方面的突破性進(jìn)展，接近產(chǎn)業(yè)化的世界紀(jì)錄指標(biāo)，有興趣的可關(guān)注，這里就不做更多陳述。 但是這個(gè)鈣鈦礦的氧化物高溫超導(dǎo)體，無(wú)法被BCS理論所解釋，目前也沒(méi)有人知道其微觀機(jī)理。

此外就是2008年日本人發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體，中國(guó)物理學(xué)家迅速跟進(jìn)，做出了突出貢獻(xiàn)。這個(gè)領(lǐng)域既獲得了國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，也炒出了院士評(píng)選的羅生門，讓人唏噓不已。

傳統(tǒng)超導(dǎo)體的硫化氫

最后還是回到硫化氫。在BCS 理論框架下的傳統(tǒng)超導(dǎo)體，有三大鮮明的特征：

存在臨界轉(zhuǎn)變溫度，在這個(gè)溫度以上 Cooper對(duì)分解，超導(dǎo)性消失；

超導(dǎo)體內(nèi)部排斥磁場(chǎng)，且存在臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度，在此磁場(chǎng)強(qiáng)度以上超導(dǎo)性消失；

同位素改變晶格振動(dòng)，進(jìn)而影響臨界轉(zhuǎn)變溫度。

因此，要驗(yàn)證傳統(tǒng)超導(dǎo)體，需要這三方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。很長(zhǎng)一段時(shí)間，超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提升很慢，停留在20K-30K。Cohen 和 Anderson 提出如果電子對(duì)與晶格相互作用過(guò)強(qiáng)，會(huì)破壞晶格。因此，他們估算臨界轉(zhuǎn)變溫度極限為30K左右。但 Ginzburg 對(duì)此深表懷疑，認(rèn)為不存在這樣的理論極限。他與 Ashcroft 提出金屬氫的離子振動(dòng)足夠強(qiáng)，可以承受與電子的強(qiáng)耦合，因而具有高的臨界轉(zhuǎn)變溫度。由于氫金屬化非常難，人們將注意力轉(zhuǎn)向氫化物。而中國(guó)的物理學(xué)家，更是對(duì)此做了準(zhǔn)確的計(jì)算。

讓我們看看三方面的關(guān)鍵證據(jù)。首先是臨界溫度的存在，并受壓力的影響：

再看看同位素對(duì)臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響：

最后是磁場(chǎng)對(duì)臨界溫度的影響：

這幾組數(shù)據(jù)毫無(wú)疑議的確定了硫化氫的傳統(tǒng)超導(dǎo)體的屬性，而在此之前，傳統(tǒng)超導(dǎo)體的臨界溫度不超過(guò)40K， 一下子提高到203K！ 而且，Nature 新聞稿稱， 這是第一次理論預(yù)測(cè)的超導(dǎo)體在實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)，而這個(gè)計(jì)算，是中國(guó)物理學(xué)家做出的。知道為什么大家如此興奮而惶恐么？

203K，比地球自然實(shí)現(xiàn)的最低溫度，還要高20K！這會(huì)帶來(lái)什么樣的應(yīng)用前景？ 對(duì)此我們拭目以待。

【作者介紹】知社學(xué)術(shù)圈，微信公號(hào)：zhishexueshuquan。由海歸學(xué)者發(fā)起的公益學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，旨在分享學(xué)術(shù)信息，整合學(xué)術(shù)資源，加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)學(xué)術(shù)進(jìn)步。

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