室温超导体可在无极端高压工作吗？

诸平 

Fog. 1 Physicists made a new high-temperature superconductor by allowing hydrogen (silver) to diffuse through a thin layer of palladium (pink) onto yttrium (blue) and squeezing the material to high pressures. 

艾米莉·康诺弗（Emily Conover）2021年3月19日通过《科学新闻》（Science News）报道了一种室温和低压下的超导材料，围绕室温超导体可否在没有极端压力的情况下工作这个问题展开讨论。作为物理学家而言，他们的目标自然是制造能以零电阻导电的实用材料。物理学家通过允许氢（银色）扩散穿过钯（粉红色）薄层到钇（蓝色）上并将该材料在高压下挤压，从而制造出一种新型的高温超导体（见图1所示）。

几十年来，科学家一直在追求室温超导体。现在他们终于找到了一种，并且正在寻找更好的材料。直到2020年，所有已知的超导体（无电阻的导电材料）都必须进行冷却，许多冷却至极低的温度，这使得它们无法在大多数电子设备中使用。2020年，物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其同事报告说，碳，硫和氢的化合物（a compound of carbon, sulfur and hydrogen）在室温下是超导的。但是冷却的需求已经换成了另一种不切实际的要求：该材料必须被加压到267吉帕斯卡（GPa），即是地球大气压力的200万倍以上。

现在，科学家们正在设计缓解压力的策略，甚至可以将压力降低到大气水平。“这是我们真正想要做的，”纽约罗切斯特大学（University of Rochester）的兰加·迪亚斯说。

可以在室温和大气压下运行的超导体集成到各种电子设备中，从而可以改进计算机和先进的悬浮列车，并节省电网中的大量能源。

但是，如何找到工作在接近室温且压力较小的超导体呢？罗马萨皮恩扎大学（Sapienza University of Rome）的物理学家莉莉娅·博埃里（Lilia Boeri）在2021年3月16日的美国物理学会在线会议上说：“我认为这是该领域尚待解决的大问题。” 在会议期间，几组物理学家报告取得了进展。

寻找超导体（Searching for superconductors）

要找到下一个超导体，首先要知道从哪里开始寻找。理论化学家伊娃·楚雷克（Eva Zurek）在2021年3月16日的会议上说，科学家们正在使用计算机计算（using computer calculations），从理论上确定该材料的结构和性能，并指导研究。因为这种策略在过去曾经得到了回报。纽约布法罗大学（University at Buffalo in New York）的伊娃·楚雷克说，“理论发挥了非常重要的作用，在某些情况下对这些结构进行了预测。”例如，这样的预测导致研究人员发现了一种镧和氢（lanthanum and hydrogen）的化合物，它在2018年被发现在当时创纪录的高温下具有超导性，温度高达-13℃。

兰加·迪亚斯在2021年3月18日的美国物理学会（APS）会议上报告说，现在，预测已将科学家们引导到由钇和氢制成的超导体（superconductors made of yttrium and hydrogen）上，这是与伊娃·楚雷克合作完成的。兰加·迪亚斯的钇-氢超导体在约–11℃的温度下显示出超导性，是已知温度最高的超导体之一。虽然兰加·迪亚斯的碳、硫和氢超导体仍然是温度记录的保持者，但是钇-氢新材料需要一个明显更低的压力，尽管在182 GPa，它仍然是需要极高的压力！

兰加·迪亚斯和伊娃·楚雷克也在2021年3月19日的《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站上报告了他们的研究结果——Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Xiaoyu Wang, Noah Meyers, Keith V. Lawler, Eva Zurek, Ashkan Salamat, Ranga P. Dias. Synthesis of Yttrium Superhydride Superconductor with a Transition Temperature up to 262 K by Catalytic Hydrogenation at High Pressures. Physical Review Letters, 2021, 126(11), 117003 – Published 19 March 2021. DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.117003. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.117003. 但在此之前，兰加·迪亚斯和伊娃·楚雷克也将他们的合作研究结果在预印本文库（arXiv）网站公布{On Arxiv: arXiv:2012.13627v1 [cond-mat.supr-con] arxiv.org/abs/2012.13627}。

高温记录保存者的名单主要是富含氢的超导体。加压后，纯氢有望成为一种金属，它将成为室温下的超导体（ room-temperature superconductor）。但是金属氢需要极高的压力，因此很难产生。通过添加另一种元素，例如镧或钇，科学家已经创造出了功能类似于难以捉摸的金属氢的超导体，但是在压力更低的情况下。

为了寻找可能的超导体，理论计算已经探索了氢和其他单一元素的所有组合。新的前沿领域是计算两种元素与氢的组合，比如兰加·迪亚斯通过实验发现的碳-硫-氢化合物。但该任务带来了额外的挑战:有太多的元素可供选择。伊娃·楚雷克说：“这些可能组合的数量会在我们面前爆炸。”尽管如此，一项研究已经表明，这种方法将在降低压力方面取得成功。

研究新材料（Studying new materials）

镧、硼和氢的组合（combination of lanthanum, boron and hydrogen）可在较低压力下是超导的，以及莉莉娅·博埃里和同事在会议上的报告在2021年2月22日，通过预印本文库网站（arXiv.org）公开——Di Cataldo et al. LaBH₈: the first high-T_c low-pressure superhydride. arXiv:2102.11227. Posted February 22, 2021. 镧、硼和氢的组合化学结构类似于2018年由镧和氢制成的超导体，其中氢原子的笼子包围着镧原子。在新化合物中，硼原子充满了笼子周围的一些空白区域。莉莉娅·博埃里说，这提供了额外的化学压力，其意味着，即使在实验室中制造这种材料，即使外部压力低至40 GPa，它也可以保持其超导性。所需的预测温度较低，为–147 ℃，但与大多数超导体相比仍临界温度依然相对较高。莉莉娅·博埃里说：“我们真的很惊讶它会以这种方式工作。”通常，化学家会期望硼与氢形成化学键，而不是简单地将其插入氢笼中，但是加压下破坏了正常的化学规律。

伊娃·楚雷克说，这就是为什么计算对于寻找超导体如此重要的原因。在加压下寻找新材料的计算方法，可以找到基于环境压力下化学的常规直觉无法想象的结构。她说:“化学结构数据库不会包含这些材料，在计算机上找到它们之前，我们的化学想象也不会想到它们。”

在演讲中，兰加·迪亚斯暗示了他的小组发现的另一种新材料，该新材料在室温和超低压力（约20 GPa）下是超导的。但是由于正在申请专利，他还不能透漏更多细节。

科学家对超导体研究的新发展充满热情。爱丁堡大学（University of Edinburgh）的物理学家格雷姆·阿克兰德（Graeme Ackland）说：“这只是科学界目前最激动人心的事情。”他主持了会议的其中一场会议。兰加·迪亚斯设想的未来是，五金商店的销售人员会问，“你想要超导导线还是普通导线?”他说，“我们希望的导线能达到超导水平。”上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Prediction: Hydride compound should be superconductive at high temperature and pressure

Abstract

The recent observation of room-temperature superconductivity will undoubtedly lead to a surge in the discovery of new, dense, hydrogen-rich materials. The rare earth metal superhydrides are predicted to have very high-T_c superconductivity that is tunable with changes in stoichiometry or doping. Here we report the synthesis of an yttrium superhydride that exhibits superconductivity at a critical temperature of 262 K at 182±8  GPa. A palladium thin film assists the synthesis by protecting the sputtered yttrium from oxidation and promoting subsequent hydrogenation. Phonon-mediated superconductivity is established by the observation of zero resistance, an isotope effect and the reduction of T_c under an external magnetic field. The upper critical magnetic field is 103 T at zero temperature.