室溫超導最新研究成果總覽，不斷突破，未來可期！

北京時間10月14號晚，首個室溫超導體問世，一篇刊登在《Nature》封面上的文章引起了廣大研究者的關注，轟動了整個物理界！百年來，室溫超導材料一直是物理學的核心追求之一，更被賦予解決人類能源問題的宏大愿景。那究竟什么是室溫超導材料？它可以應用在生活中的哪些地方？最新的研究又到了哪一步？今天讓我們一探究竟。

1、什么是室溫超導材料？有可能實現嗎？

超導材料是指在一定低溫條件下電阻等于零以及完全抗磁性的導體，可以分為低溫超導材料和高溫超導材料。高于40K（約-233.15℃）的超導體即可稱之為高溫超導體，這里的高溫是相對于絕對零度（0K）而言的，實際上遠遠低于冰點攝氏度0℃（273K）。而室溫超導材料是指能夠在無需冷卻的常溫條件下零電阻導電的導體。然而，目前所研發出的超導體只能在零下數百攝氏度時發揮作用，極低的冷卻溫度環境意味著實現超導應用必須依賴于昂貴的低溫液體，如液氦等來維持低溫環境，這使得超導應用成本急劇增加，遠超材料本身的價值。因此尋找更高的超導臨界溫度（超導體電阻變為零的溫度），特別是接近常溫區的可實用化的超導材料一直是物理界的遙不可及的夢想。

尋找室溫超導之路無比艱難坎坷，數百年來，無數科學家付出了許多心血。到近年來，幾乎平均每個月都有新超導體被發現，但始終未能實現室溫超導。

如果超導材料可以在室溫條件下普及，則材料幾乎可以將電力零消耗輸送到任何地方，對我們的電網基礎設施、醫學、能源、量子計算、無線通訊、高精尖物理科研設備等諸多領域產生革命性的影響，這將引燃一場新的能源革命，具有劃時代的意義！

近日，室溫超導有了重大突破，美國羅徹斯特大學Ranga P. Dias等人打破了零度（273K）這一節點，實現了288K（約15℃）溫度下的C-S-H體系超導！盡管這是在267±10 Gpa超高壓條件下的實現的，但仍舊打破了室溫超導領域的世界紀錄，具有重大的意義！

2、超導材料的發展歷史

1911年，荷蘭物理學家Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K（-268.97℃）時用液氦冷卻汞時發現汞的電阻為零，首次發現了超導現象和超導體。

1933年，菲爾德和邁斯納發現超導體冷卻達到轉變溫度時，不僅電阻完全消失，還會出現抗磁性：磁感線從超導體中排出，不能通過超導體。

1973年科學家發現了保持了近十三年記錄、超導轉變溫度為32.4K（-249.92℃）的超導合金——鈮鍺合金。

1986年，美國貝爾實驗室研究出了打破液氫40K的溫度障礙，臨界溫度為40K（-235.15℃）的超導材料。

1987年，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢陸續把釔-鋇-銅-氧轉變溫度提高到了90K（-185.15℃），從而發現了高溫超導體材料，打破了液氮77K的“溫度堡壘”。

1988年，日本實現了液氮溫區超導體的理想，研發出了轉變溫度為110K（-165.15 ℃）的超導材料Bi-Sr-Cu-O，解決了困擾科學界多年的問題。超導熱從高溫超導材料被發現以后席卷全球。轉變溫度達-150.15℃的鉈系化合物超導材料和轉變溫度達-140.15℃的汞系化合物超導材料相繼被發現，高壓條件下的汞轉變溫度能達到164K（-111.15℃）。

日本東京工業大學細野秀雄教授和其合作者在2007年2月發現了轉變溫度為-251.15℃的氟摻雜鑭氧鐵砷化合物。中國物理研究所根據這一發現，制作摻雜樣品，將氟摻雜鑭氧鐵砷化合物中的三價鑭用二價金屬鍶代替，發現該化合物轉變溫度為-248.18℃。

中國科技大學陳仙輝研究團隊和中國物理所研究團隊于2008年3月25日和3月26日發現了突破麥克米蘭極限溫度，轉變溫度為-233.15℃的非傳統超導材料。

3、超導材料的應用

超導材料是一項具有遠大戰略意義的高新技術，可以廣泛用于信息、檢測、交通運輸、電力技術等領域，有著重要的研究和開發價值。

（1）超導磁體。目前，超導材料應用最多的領域就是制作各種用途的超導磁體。它可以實現常規導體材料無法實現的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度。超導磁體有很多用途，比如核磁共振成像（MRI）、各類粒子加速器、各類高能粒子對撞機、以及目前多國參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）的磁場，都離不開超導磁體。另外，還有各式各樣的超導磁體被應用于檢測儀器、各類實驗裝置、晶體生長等其他許多方面。

（2）超導電纜。電能在傳輸過程中損耗很大，超導電纜的優勢在于電能在輸送過程中可以最大限度地降低損耗，僅為傳輸功率的5%，而常規電線電纜的損耗要達到10%，能夠很大程度上節省能源。而且高溫超導電纜的容量比常規電纜提高3～5倍、損耗下降60%，節約占地面積和空間，更為可觀的是，總費用降低20%，經濟效益明顯。超導電力技術是21世紀電力工業唯一的高技術，可有效解決能源短缺的問題。

（3）超導電機。超導電機重量輕、緊湊性好，在風力發電機中特別具有優勢。所以將超導電機用于風力發電是目前發展的趨勢。超導電機采用超導材料替代常規電機的轉子。傳統電機以銅作為線圈繞組，采用超導材料后，可將銅用量從1 t減至0.44 t，鐵用量從10.5 t減少至2.8 t，大大減少了金屬的使用量，降低了成本；而制冷系統電力消耗導致的成本，已由使用周期長、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市場潛力驅動著超導電機的發展。

（4）磁懸浮。在導體截面相同時，超導體制作的導線可以比銅導線（傳統電磁鐵絕大多數由銅導線繞制）承載高出幾十倍的電流。由超導線圈制作的磁懸浮機構可以產生比傳統磁懸浮機構大得多的懸浮力和驅動力。另外，銅線圈通電時會不斷地產生焦耳損耗，而超導線圈因為無電阻不會產生焦耳損耗，更加節能、環保。

（5）超導儲能裝置。儲能，即通過某種手段將能量存儲起來，在需要時釋放的過程。按照儲能的方式，可分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能，超導儲能是電磁儲能的一種。超導儲能裝置無需能量轉換、直接儲能，轉換效率高，響應速度快，功率密度大，用于電網時，低谷時儲藏電能，高峰時釋放電能，具有有效提高輸電的效率和經濟性等優點。

4、室溫超導材料的最新重大突破

（1）（2019.3.8-Science）調整扭曲雙層石墨烯的超導性

http://doi.org/10.1126/science.aav1910

具有扁平電子帶的材料由于強相關性而經常表現出奇異的量子現象。通過簡單地將層旋轉1.1°，可以在雙層石墨烯中誘導出孤立的低能量平帶，從而導致柵極可調超導和相關絕緣相的出現。哥倫比亞大學的Cory R. Dean和加州大學圣巴巴拉分校的Andrea F. Young領導的研究團隊在平帶條件下測量tBLG中超導與相關絕緣態的關系。證明了除了扭轉角，還可以采用層間耦合得以精確地調整這些相位。研究人員通過改變層間間距與靜水壓力的關系，在大于1.1°的扭轉角下誘導超導態，而在這個角度上，相關態并不存在。其低無序器件揭示了超導相圖與其附近絕緣體之間的關系，該研究結果表明扭曲雙層石墨烯為探索相關態提供了一個獨特的可調整平臺。

圖1：扭曲角為1.14°時器件的超導性

圖2：壓力下tBLG相圖

（2）（2019.5.22-Nature）接近室溫條件下的超導體氫化鑭（LaH₁₀），最高臨界溫度-23℃（250K）

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1201-8

美國芝加哥大學、德國馬斯克普朗克Mikhail Eremets領導的團隊，發現了臨界超導溫度能達到–23℃的高溫超導體新材料：超氫化鑭。研究人員用僅幾微米大小的鑭金屬樣本，放進一個打孔且充滿液態氫的金屬箔中，接著將此設備連接電線，然后對其施加高達150～170 GPa的壓力——將近地球海平面壓力150萬倍。研究人員以激光光轟擊樣本，使鑭和氫結合形成氫化鑭，最后用X射線束測量該材料的結構與成分。研究人員證實，這種材料在-23 ℃時表現出超導4種特性中的3種：零電阻、外加磁場下臨界溫度降低、當一些元素被不同的同位素取代時出現溫度變化，只差沒有檢測到邁斯納效應。

圖3：LaH₁₀中超導性的觀察

圖4：在外部磁場下的超導轉變

（3）（2019.12.11-Physical Chemistry Chemical Physics）低壓摻雜鈹的甲烷中的金屬化和超導電性

https://doi.org/10.1039/C9CP06008A

中國科學院深圳先進技術研究院鐘國華研究團隊基于粒子群優化、密度泛函理論和密度泛函微擾理論，提出了一種實現絕緣體到金屬轉變的新思路，即通過在甲烷分子中摻雜金屬鈹。研究人員考慮了鈹摻雜甲烷分子的晶體結構、電子態和動力學性質以及電子-聲子相互作用。結果顯示，具有P-1空間群結構的BeCH₄在常壓下就可以轉變為金屬態，并發生超導轉變，隨著壓力的增加最高超導臨界溫度可以提高導近30K。這說明電子摻雜的CH₄有希望成為一種兼具低壓和高臨界溫度的新型超導體。相關研究結果系統地揭示了這種新型超導體在不同壓強下空間結構、金屬環和超導電性的變化規律，對于探索新型高溫低壓超導體具有重要的指導意義。

圖5：BeCH₄穩定相與P-1相的相對焓隨壓力的變化

圖6：預測的不同相BeCH₄的超導臨界溫度Tc隨壓強的變化

（4）（2020.2.6-Nature）-23℃（250K）溫度條件下氫化鑭（LaH₁₀）的量子晶體結構

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1955-z

羅馬大學的Jose A. Flores-Livas研究團隊證明了在137~218 GPa壓力范圍內，量子原子的波動穩定了高度對稱的Fm3m晶體結構。該結構與實驗結果一致，并且具有非常大的3.5的電子-聲子耦合常數。盡管從頭算起經典的計算表明，該Fm3m結構在230 GPa以下的壓力下會發生變形，產生復雜的能量分布，但量子效應的包含表明它是真正的基態結構。計算的Tc值與實驗Tc值之間的一致性進一步表明，該相是在250開爾文溫度下觀察到的超導性的原因。量子動力的相關性使人們對經典方法中氫化物的許多晶體結構預測提出了質疑，這些預測目前指導了對室溫超導性的實驗探索。此外，作者發現量子效應對于具有高電子-聲子耦合常數的固體的穩定化至關重要，否則，由于電子-聲子的大相互作用可能會使穩定化，從而降低了合成所需的壓力。

圖7：量子效應穩定了LaH₁₀的對稱Fm3m相

（5）（2020.3.25-Nature）重金屬UTe₂中的手性超導

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2122-2

美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的V. Madhavan研究團隊與美國國家標準與技術研究院、馬里蘭大學、波士頓學院以及瑞士蘇黎世聯邦理工的科學家們合作，發文報道認為：超導態UTe₂既是尋找已久的手性超導體，也是一種奇異準粒子的天然載體。研究人員利用高分辨掃描隧道顯微鏡研究了新近發現的重費米子超導體碲化鈾，發現了近藤（Kondo）效應與超導性共存現象，在一個單位中實現了競爭性地空間調制。掃描隧道顯微學還揭示了手性隙內態的存在，與拓撲超導體的理論預測相吻合。結合上述實驗證據，UTe₂被認為是一種潛在的手性三重態拓撲超導體。

圖8：UTe₂ Kondo共振和超導性的空間調制

（6）（2020.7.6-Nature）魔角石墨烯中的絕緣態和超導態

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2459-6

巴塞羅那科學技術研究所Dmitri K. Efetov研究團隊報告了通過改變石墨烯與金屬屏蔽層之間的分隔距離，來直接調節該系統中電子相互作用的方法。在屏蔽層間距小于15納米的典型Wannier軌道尺寸，以及扭曲角度略微偏離魔角1.10±0.05度的器件中，研究人員觀察到了相關絕緣體的淬滅。絕緣順序消失后，空出的相空間將由具有臨界溫度的超導部分所占據，該臨界溫度可與具有強絕緣體的設備相媲美。此外，還發現半填充狀態的絕緣子，會重新出現在0.4特斯拉的小平面外磁場中，從而產生Chern數為2的量化霍爾狀態。該研究為理解雙層魔角石墨烯中的絕緣態和超導態之間的關系提供了經驗，并為理解具備強相互作用的超導體系的微觀機制提供了方案。

圖9：屏幕控制MATBG相圖的近似魔角

圖10：超導性和相關絕緣相對溫度和密度的關系

（7）（2020.9.29-Chinese Physics Letters）基于標準四電極法研究籠型富氫化物LaH10的高溫超導電性

https://doi.org/10.1088/0256-307X/37/10/107401

中科院物理所洪芳副研究員、于曉輝副研究員、程金光研究員和趙忠賢院士與北京高壓科學中心楊留響研究員通力合作，克服各種高壓技術難點，通過在70 μm的金剛石對頂砧臺面上手工布置標準四電極引線，采用氨硼烷作為氫源，利用激光加熱使其分解產生氫氣，并與放置在金剛石對頂砧壓腔內的La金屬薄片反應。通過調節激光加熱溫度，在165 GPa高壓下獲得了兩種不同Tc的樣品，在1000 K加熱得到了氫含量較低的LaHx樣品，其中Tc≈74 K；在1700 K加熱得到了Tc≈240-250 K的LaH_10+δ。通過不同磁場下的電阻測試，進一步確認LaH_10+δ的高溫超導轉變。該工作不僅成功重復出了之前德國和美國研究組發現的LaH_10+δ高溫超導體，而且還發展了利用金剛石對頂砧開展兆巴高壓下的原位激光加熱與標準四電極電阻測試技術。實驗路線相對簡單、易于推廣，有助于推動超高壓下富氫高溫超導材料的探索研究。

圖11：（a）激光加熱前后的樣品和電極對比圖；（b）升降溫過程測試的電阻數據顯示出超導轉變（插圖顯示了在不同磁場下超導轉變附近的電阻，顯示超導轉變隨磁場增加而逐漸向低溫移動）；（c）由Ginzburg–Landau表達式（綠色實線）擬合的臨界溫度的場依賴性

（8）（2020.10.14-Nature）15℃超高壓下室溫超導的首次實現

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

美國羅徹斯特大學、英特爾公司和內華達大學的聯合研究團隊首次實現了15 ℃下的室溫超導。該團隊將富氫材料與有機超導這兩條路徑相結合，用碳來代替金屬元素。他們運用一種綠色的光化學合成方式，在硫化氫體系中摻雜了一種自然界最廉價、最普通的元素——碳，在超高壓下實現了15 ℃下的室溫超導。

該研究團隊的實驗方案設計如下：1）將碳和硫以1比1摩爾比混合，球磨成5微米以下的顆粒，隨后裝載到一種稱為“金剛石砧座”的裝置中；2）氫分子充入其中，扮演反應物和傳壓介質的雙重角色；3）利用兩顆金剛石擠壓，給樣品施加4 GPa的壓強，并用波長532 nm的紫外光照射數小時；4）在壓力和輻射的雙重作用下，驅動S-S鍵的光分解，形成硫自由基，并與氫分子反應生成硫化氫；5）迅速微調壓強和激光位，最終制出均勻透明的C–S–H晶體結構。然后研究人員通過對電阻、磁化率、電輸運和拉曼光譜的測量，觀察到C–S–H晶體在267±10 GPa壓強下，臨界溫度約288 K時，具有零電阻、在施加的磁場下臨界溫度的降低、冷卻時從材料內部排出磁場（邁斯納效應）等三個超導體特征，并證實了從分子到金屬以及超導的一系列結構和電子相變。這充分說明，有機衍生的C-S-H在267±10 GPa壓強下取得了約15℃的超導臨界溫度，創造了新的世界紀錄！

此外，研究人員還指出，可以通過在更低壓強下交換分子，微調C-S-H三元體系的組分，有望實現大氣壓下穩定或亞穩定的高溫超導體。論文的合作者，內華達大學拉斯維加斯分校的物理學家Ashkan Salamat表示，添加第三個元素可以大大拓寬未來尋找新超導體的范圍，這項工作開辟了一個全新的探索區域。

圖12：在高壓下C–S-H中的超導性能

圖13：外部磁場下的磁化率和超導轉變

圖14：C + S + H₂混合物的光化學產物的壓力誘導拉曼變化

最新的研究方法雖實現了288K（約15℃）溫度下的含碳硫化氫的超導，但這種室溫超導是在267 Gpa高壓下實現的，相當于200多萬倍標準大氣壓，目前還很難談得上實際應用，但還是給大家提供了實現室溫超導的希望，相信用不了多久，科學家們一定能再次打破記錄，突破瓶頸。

不考慮條件，15℃室溫超導的首次實現具有里程碑式的意義，這一項超導體的全新世界紀錄，標志著科學家實現室溫超導的步伐正在加快，也代表著我們朝著無電力損耗的全新時代更進了一步。室溫超導夢，不再遙遠！

文章鏈接：

[1] http://doi.org/10.1126/science.aav1910

[2] https://doi.org/10.1038/s41586-019-1201-8

[3] https://doi.org/10.1039/C9CP06008A

[4] https://doi.org/10.1038/s41586-020-1955-z

[5] https://doi.org/10.1038/s41586-020-2122-2

[6] https://doi.org/10.1038/s41586-020-2459-6

[7] https://doi.org/10.1088/0256-307X/37/10/107401

[8] https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z

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