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内容导航：1、高温超导体的突破，高温超导体的发现历史与现状2、高温超导体的发现历史与现状1、高温超导体的突破，高温超导体的发现历史与现状一项新纪录，今天轰动整个物理界。
在15℃温度下，竟然也能观察到超导现象！
这就是来自罗切斯特大学的最新研究，他们设计出了一种新型氢化物，可以在这般「高温」下，无任何电阻地导电。
科学家发现，这种由氢-硫-碳组成的材料，在巨大的压力（大约是地球核心的75%）下，室温时就能转变成超导体。
这也是人类发现的第一种室温超导体。
今天，Nature也以封面的形式对其报道，意义之重，可见一斑。
西班牙巴斯克大学凝聚态物质理论家 Ion Errea认为：
这是第一次真正声称发现了室温超导现象。
剑桥大学的材料科学家Chris Pickard评价道：
这显然是一个里程碑。
首个室温超导体来自罗切斯特大学的科学家将两种氢化物混合在一起，然后在超高压下让整个混合物重新组合。
他们选择了硫化氢（一种臭鸡蛋气味气体）和甲烷（天然气主要成分），将这两种物质与铂电极一起放在金刚石砧中。
金刚石砧是两个“尖对尖”金刚石，在二者之间可以产生巨大的压力，可以达到几百万个大气压。
当压力超过4万个大气压时，研究人员用绿色激光照射数小时，破坏硫-硫键，从而形成硫-氢化合物。
在175万个大气压下，样品冷却至-93°C就会发生超导转变。如果继续增加压力，超导转变的临界温度会不断提高。
当到达到267万个大气压时，只需把样品降低至15°C，就能看到电阻消失。
除了电阻为零外，科学家还发现了另一些超导的证据，比如在转变温度下，这种物质屏蔽了磁场，这是超导体一项重要特征。
为了寻找这种室温超导化合物，他们用废了几十对金刚石砧，每一对的价格3000美元。论文通讯作者Ranga Dias说：“我们研究的最大问题就是金刚石预算。”
金刚石砧产生的超导材料数量极少，大约是单个喷墨颗粒的大小。而且这种超导材料不够稳定，只要放置过夜就会分解。
超高压条件以及不稳定的性质，意味着这种室温超导体难以有实际性质，但这却是人类发现的第一种室温超导体，探索超导体100多年的道路上具有里程碑意义。
应用广泛的超导体超导体（superconductor），是指在低于某一温度时，电阻为零的导体。
超导现象是在100多年前，由荷兰物理学家昂内斯发现。他把汞降低到4.2K（约零下269度）时，发现汞的电阻突然消失，因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。
除了「零电阻」外，它还具有「完全抗磁性」和「磁通量量子化」的特点。
完全抗磁性，又称迈斯纳效应，能让超导体内部的磁感应强度为零，及超导体排斥体内的磁场。这种特性最大的用途是用来做磁悬浮。
磁通量量子化，又叫做约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。
超导体中的磁通量量子化可以用来制造超导计算机。
除了这些高大上的设备，我们的日常生活也离不开超导体，比如医院里的核磁共振成像，还有手机信号基站也需要超导体来制造滤波器。
然而，超导体的低温限制，成了它的阻碍它应用的最大局限。
直到1987年，美籍华裔物理学家朱经武发现了液氮（77K）温区的“高温超导体”钇钡铜氧，才让超导体应用更加广泛。
但科学家们希望能够找到一种无需冷却，在室温下即可使用的超导体。
这也正是此次发现能够引起如此反响的原因——是科学家们苦苦探寻了几十年的一种超导体，提高温度意味着不需要复杂的冷却设备。
要知道，此次的研究要比去年的最新进展足足高出了30多摄氏度。
除了高温这个局限性外，还有就是高压。
超导体只能在极高的压力下存活，相当于接近地球中心的压力，相当于马里亚纳海沟压力的40倍。
因此，也正如研究作者所说，这意味着它不会有任何直接的实际应用。
尽管如此，物理学家们仍然希望，这个超导体能够为开发在较低压力下工作的零电阻材料铺平道路。
5年追梦成真5年前的德国物理学家的发现为找到室温超导体敲开了大门。
要知道为何氢-硫-碳会成为室温超导体，我们先介绍一下超导的原理。
在正常状态下，电子以个体形式运动，碰撞到原子就会产生电阻。
而在超导体中，两个电子会配对形成所谓“库珀对”（Copper pair）。一旦电子结伴，它们就会以量子液体的形式无阻碍地通过导体，让电阻彻底消失。
库珀对的形成可以这样通俗理解：
当带正电的原子被电子吸引后，就会聚集起来，这里正电荷多一点，自然会吸引别的电子过来，这两个电子即完成配对。
显然原子质量越重，就越难被电子吸引，电子也就越难形成库珀对，因此科学家把目光瞄向了最轻的原子——氢。
但问题是，常压下固态氢中没有自由电子。只有高压改变固态氢的结构，让氢释放出电子，才有可能形成库珀对。此时氢变成了一种金属状态——金属氢。
△ 木星内部可能存在金属氢
1968年，康奈尔大学物理学家Neil Ashcroft预测，金属氢在常温下应该是超导体。
然而，要让金属氢变成超导体需要的压力实在太大了，以现有实验室条件难以达到，倒是木星内部有可能满足这样的条件。
△ 科学家用高压制备出金属氢
2017年，哈佛大学科学家在实验室中制备出金属氢，但压力不足以让其变成超导体。
Ashcroft将希望寄托在富含氢的化合物上，这类化合物获取能在稍低的压力下变成超导体。
但添加多少比例的氢是个技术活。如果添加太少，化合物就不会像金属氢那样超导。如果添加太多，那么化合物超导所需压力太大，实验室里难以达到。
终于在2015年，德国科学家Eremets发现，一种氢和硫的化合物在-70℃时转变成超导体。
2018年，同样是Eremets的团队发现了冰箱温度下的超导体氢化镧，这种物质在-23℃、170万个大气压下变成超导体。
作者、团队介绍这项研究的团队，来自罗切斯特大学。
△Ranga Dias
Ranga Dias，是这次研究的通讯作者，本科就读于科伦坡大学，攻读的是物理和数学专业。
2007年， Dias搬到美国华盛顿，开始了他的博士工作，领域聚焦在极端凝聚态物理领域，专攻简单分子系统中的超导和绝缘体金属过渡。
△Nathan Dasenbrock-Gammon
Nathan Dasenbrock-Gammon，本科就读于在北肯塔基大学，目前是罗切斯特大学物理学专业的博士一年级学生。
△Ray McBride
Ray McBride，是罗切斯特大学的一名研究生，正在攻读机械工程硕士学位。2018年，我获得了SUNY Geneseo的物理学学士学位，担任过导师和实验室讲师。
超导体若是能够在日常生活中应用起来，对人们的生活影响肯定是巨大的。
当然，这条路是「道阻且长」，虽然已经翻过了一座大山，但还有诸多问题待解决。
对此，作者也表示了他们研究的下一步：
制造无需高压力、稳定的高温超导体。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-first-room-temperature-superconductor-20201014/
— 完 —
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2、高温超导体的发现历史与现状高温超导体在材料科学和物理学领域具有重要意义。它的发现和产生的现象激发了对新型超导材料的研究。
发现历史：
传统超导体： 超导现象自1911年被荷兰物理学家海克·卡梅林·奥内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现以来，一直被认为是低温下的奇特现象。传统超导体主要包括金属和金属化合物，例如铅、镉、硫属化铅和镧（La）等。超导临界温度（Tc）对于这些材料通常很低，在低于20K的范围内。
高温超导体的发现： 1986年，瑞士的物理学家约汗·贝德诺斯（Johannes Georg Bednorz）和卡尔·亚历山大·穆勒（Karl Alexander Müller）在研究一种新型氧化物陶瓷材料（一种钙铜氧化物）时，在该材料中观察到具有高温超导性。这种材料在温度高达35K时表现出超导性，这被认为是一次实质性突破。两位科学家因这一对超导性的突破性研究而获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
现状：
高温超导材料的研究： 自高温超导材料的发现以来，研究者们致力于研究这些材料的物理学性质，特别是过渡金属氧化物。材料科学家和物理学家尝试通过探索新的化合物、元素置换和掺杂方法来获得具有更高超导临界温度的材料。目前已知的高温超导体主要包括：钙铜氧化物（cuprate）高温超导体、铁基高温超导体和镧硫代物（MgB2）等。
对高温超导现象的理解： 尽管高温超导现象在实验上取得了显著进展，但其理论解释和机制仍然饱受争议。这与BCS理论（为低温超导材料提供了成功的理论框架）不同，目前针对高温超导性的理论仍然未达成一致。研究者尝试通过对超导现象进行多种物理解释，探讨高温超导机制。主要假设涉及电子对称偶（polarity pair）、动量空间上的电子对偶、拓扑描述和频谱性质等。
高温超导技术的应用： 高温超导性为电力和电子设备的发展带来了革命性的潜力。在一些重要应用中，包括磁浮列车、医学核磁共振设备、高能粒子物理实验、低噪声精密测量设备以及电力传输、能源存储等方面，高温超导技术都展示着巨大的应用前景。然而，实际应用中仍然存在许多挑战，包括制作过程中的不稳定性、技术要求高、经济成本等。尽管如此，许多研究及其项目都将对高温超导技术的应用作为长期目标。
总之，高温超导体的发现推动了固体物理学和材料科学的发展。虽然对于这类材料超导性质理论解释尚未完全明确，但它们在多个技术领域具有巨大的应用潜力。
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