感受压力

编译 姚人杰

在这个金刚石压砧中，一种碳、硫、氢元素的化合物被挤压于两块小钻石中间，在室温下展显示出超导迹象

在纽约州罗切斯特，兰加·迪亚斯（Ranga Dias）每年会摧毁大约价值10万美元的钻石，将它们压成灰色粉末，再丢进垃圾桶。这笔钱花得值得。这些超级坚硬的钻石的牺牲是为了实现数代科研人员追逐的目标。

这些直径2毫米的钻石在牺牲之前，成对充当了微型虎钳中的钳口。2020年秋，迪亚斯当时还是罗切斯特大学的一名物理学家，与同事一起用这套装备对一些碳元素、硫元素和氢气施压，达到接近地球中心压力的程度。巨大压力将元素重新整合为碳硫氢化物（CSH），据报道，这是第一种能在室温下无损失地传导电流的物质——此处的室温自然是偏凉快的。那项实验几乎像所有这类研究一样终止：钻石钳口突然爆裂，全球唯一的室温超导体消失于一阵轻烟。

迄今为止，还没人比得上这份功绩。但其他高压物理学家团队正在自行压碎钻石作为尝试。那些研究人员已经发现，好几种其他富含氢的材料在相对较高的温度下展现出超导性。那些材料被合称为氢化物，但那些材料除了含有氢元素，还有镧或钇之类的其他元素，和迪亚斯的碳硫氢化物相比，仍然需要略微冷却（有时是大幅降温）。

这些氢化物已经变革了超导性研究，显示出超导性能在过去仅能在梦想的室温下发生，过往的超导体只有在冷却到-100℃以下才显示出超导性质。然而迄今为止，那些材料仅能制造出零点几克的量，只有在受到极强压力的挤压时才具有超导性。这一限制使得那些材料完全不切实际，无法用于现实世界。于是一项新目标应运而生：当压力消失后依然保持性质的室温超导体。这类超导体材料将使得各种各样的进展成为可能，比如不会以热能形式损失大量能量，或者运送大量电力负载却没有惯常损耗的输电线，能省下数十亿美元和兆吨级的碳排放量。

“这会是一个挑战。”加州大学伯克利分校的超导理论家斯蒂文·路易（Steven Louie）说，他没有进行氢化物超导体研究，“但这些是让人激动万分的发展。长期以来，人们认为超导体不可能达到室温水平。氢化物显示这不是真的。”

但并非每个人都信服研究结果。“很容易受到愚弄。这些是在强压力下，在极其小的样品上完成的困难实验。”加州大学圣地亚哥分校的理论物理学家豪尔赫·赫希（Jorge Hirsch）说道，他是氢化物超导性主张的首要批评者，“一些研究是在进行中，但我也认为，研究的结果不是有意思的物理学新发现，而是实验性的人工产物。”

“每一次发生这种范式转移（paradigm shift），人们会将它向后推。”迪亚斯回应道。他同意赫希的一项观点，高压试验确实难以成功完成，可能产生一些难以解读的实验结果。但迪亚斯和其他氢化物研究者对他们的观察很自信。理论预测和初步实验结果都表明，大幅降低对压力的需求是可行的，于是科学家们向前推进。

尽管拥有钻石，但迪亚斯的实验室并非首饰盒。它坐落在一座20世纪60年代建成的、方方正正的四层楼建筑的底楼。实验室的核心是一个拳头大小、紫铜色的圆柱体，名叫金刚石压砧单元。一旦装上起始材料并旋紧闭合，这个单元就放入一只固定在桌上的蓝色小金属盒。金属盒内有一台低温冷却器，用液氦来精确控制温度。桌上的镜子引导激光从窗口射入金刚石压砧单元内。

为了获得超导体，研究人员利用增压惰性气流驱动钻石，在钻石的尖顶产生放大许多倍的力。一道绿色激光瞄准穿过钻石，引发化学反应，将碳、硫和氢原子结合为晶形固体。接着，相同的激光依靠拉曼光谱学探测材料，揭示出哪些化学元素彼此结合。放置在钻石之间的迷你导线追踪材料的电阻，以便侦测超导性标志性的电阻骤降为零的特征。实验不间断地持续进行——有时长达数周——直到无可避免地噼啪声再度响起，又一对钻石变成粉末。

迪亚斯是斯里兰卡人，为了在华盛顿州立大学读博而来到美国，研究爆炸如何将材料冲击成新形状。他之后到哈佛大学，跟着物理学家艾萨克·西尔韦拉（Isaac Silvera）做博士后工作，内容是利用强大压力将氢气转变成金属，他们猜测那种材料也许是超导的。此前已有其他研究人员宣称见过金属氢的迹象，但那些结果仍然有争议。2017年，迪亚斯和西尔韦拉在《科学》发表文章，说他们已经成功地将氢俘获于金刚石压砧单元，将压力提高到495 Gpa，是大气压的480多万倍，将气体转变为银色的固体。

该研究结果引起许多赞扬和反对。“垃圾这个词不足以形容这项研究。”另一位专家在那时说道。批评者警告说，哈佛大学的这对搭档仅仅发表了一个研究结果，没有复制性研究。但迪亚斯和西尔韦拉坚信他们的研究结果。西尔韦拉还说，他希望在不久后发表另外的正面结果。

就算金属氢真实存在，被确定具有超导性，但这种物质仅存在于数百万个标准大气压下，不会在现实世界造成多少影响。“正为此故，证明氢化物（氢化物有望在更低压力下实现超导性）拥有超导性是重要得多的挑战。它会产生巨大影响。”迪亚斯说。

最初的超导体由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现于1911年，就是一块块诸如汞和铌的元素金属被冷却到绝对零度以上几度。在如此低温下，电子行进时不再碰撞原子，也就不再将部分能量让渡给热能，于是电阻消失了。

1933年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）注意到超导体的另一项特征：超导体排斥磁场。这个现象成为一个谜团，一直到1957年，才由美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Cooper）和罗伯特·施里弗（Robert Schrieffer）解释第一类超导体的原理。他们的BCS理论提出，电子飕飕地穿过超导金属，导致材料原子晶格变形，带正电的原子核受其吸引，微微靠近它。电子周围的电荷再分布，吸引另一个电子到它后面，类似于一个人躺在床上的重量吸引第二个人靠近他。这个效应解释了电子的无阻抗流动。对磁场的排斥被称为迈斯纳效应，是自由流动的电子带来的副作用：外部磁场遇到超导体时，磁场在超导体内引起电流轴转，这就生成它自身的磁场，抵消了外部磁场。

下一个大进展出现于1986年，IBM公司苏黎世科研实验室的物理学家格奥尔格·贝德诺尔茨（J. Georg Bednorz）与亚历山大·米勒（K. Alexander Müller）发现，氧化铜陶瓷（被称为铜酸盐）能够在30 K温度下显示超导性。这个超导转变温度（即临界温度Tc）很快就在其他铜酸盐实验中被推进到77 K以上，这个温度用液氮就能达到。这个发现为更广阔的应用开启了大门，因为液氮价格比冷却第一类超导体所需的液氢便宜得多。到2005年时，科研人员已经在高压下用汞基铜酸盐将超导转变温度推进到166 K左右。但之后超导转变温度的大进军戛然而止。

通向高温超导体的另一条潜在路径在召唤：氢。1968年，康奈尔大学的理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特（Neil Ashcroft）提出，将氢气置于强大压力下，会让它转变成能够显示超导性的固体晶格。他的构想未受重视，因为当时的虎钳未能生成必要的压力；直到方案改进出现后，包括西尔韦拉研究组在内的团队才能尝试制造固体金属氢。然后就开启了一条全新的研究路线。

2004年，阿什克罗夫特提出，为氢气添加其他元素也许能增加“化学预压缩”，在更低的压力下稳定氢晶格。制造超导氢化物的竞赛就此开始。2015年，包括马克斯·普朗克化学研究所物理学家米哈伊尔·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）在内的科研人员在《自然》中报告，一种硫氢混合物在加压到155 Gpa时，在203 K温度下出现超导性。在之后的3年里，埃雷梅茨和其他研究者将超导转变温度提高到250 K，用的是含有重金属镧的氢化物。接着出现了迪亚斯的碳硫氢化物，他们于2020年底在《自然》杂志报告了研究成果，于267 Gpa的压力下，在287 K的温度——也就是葡萄酒酒窖的温度——下实现超导，2021年又有多个研究团队宣布，他们用钇氢化物在相近的温度下实现超导。“进展得十分快。”罗马大学的理论物理学家莉莉亚·博埃里（Lilia Boeri）说道。

一些研究者争辩说，进展太快了。赫希和其他人发出警告，高压下的研究结果并未实际展现超导体的一项关键特征：对磁场的排斥。目前尚未有人想明白如何在金刚石压砧内测量迈斯纳效应。“已经有人做过实验，用聪明的方法来显示内部的磁场降低了。”加州大学伯克利分校的一位理论物理学家马文·科恩（Marvin Cohen）说道。但那个发现对于该领域的许多物理学家来说还没有说服力。“我是老派的人，”休斯顿大学德州超导中心首位主任朱经武（Paul Chu）说道，他也是铜酸盐超导性论战的老手，“我一直想要亲眼见下迈斯纳效应，我尚未见识过。”

赫希说，另一个问题是电阻数据。当外部磁场施加到超导体上，超导转变温度一般会下降，磁场越强，下降幅度越大。在温度相对电阻的曲线图中，随着外部磁场增强，通常显示出超导转变温度时电阻下降的那条曲线变得水平。超导转变温度越高，超导体显示出的曲线越平。氢化物是一种超导转变温度最高的超导体，“但在氢化物中见不到这个现象”，赫希说，“要么这是非标准的超导体，要么这根本不属于超导体。”

埃雷梅茨的团队发现了多种氢化物超导体。他说赫希弄错了，至少是在埃雷梅茨研究的氢化物方面。他的研究团队于2019年《自然-通讯》发表的关于氢硫化物超导体的论文中有一张图，显示超导转变温度随着外部磁场增强而下降，意味着电阻如对超导体的预期一样变平。“简单来说，他遗漏了这张图。”埃雷梅茨说。

迪亚斯补充说，在一些氢化物中，电阻方面的表现也许不如预期，因为金刚石压砧中的微小样品也许纯度极高。其他超导体的电阻曲线随着外部磁场增强而变平实际上是杂质带来的结果，杂质可能影响材料的性质。高纯净的超导体（例如经典超导体二硼化镁）显示出电阻的骤降。“我们的结果符合二硼化镁的情况。”迪亚斯说。

然而，赫希对于迪亚斯的CSH材料有另一项担心：它的磁化率——对材料处在一个外加磁场中磁化程度的度量值——表现得和其他超导体不一样。为了测试磁化率，科研人员在潜在的超导体冷却的同时，对其施加磁场。在标准的超导体中，材料冷却到超导转变温度以下时，磁化率下降，随着温度继续下降，磁化率一直保持低状态。然而，迪亚斯报告CSH材料冷却到超导转变温度以下时，磁化率先是下降，但随着冷却的继续，磁化率会再度上升。“超导体没有那种表现。”赫希总结说，要么是数据错了，要么材料不具备超导性。他之前请求论文作者、《自然》编辑和资助该项研究的美国国家科学基金会提供原始数据，但到目前为止尚未拿到数据。“这让我十分沮丧。”赫希说。

迪亚斯说，他的团队正在提交专利申请书，所以律师叫他暂时不要公开数据。他补充说，超导转变温度以下磁化率的明显上升是人为现象。那种上升在高压试验中并非不寻常现象，因为高压产生的背景信号能压过实验信号。

迪亚斯和其他研究者承认批评方的一个观点：至今为止，在金刚石压砧内不可能显示出迈斯纳效应。然而，研究人员表示，一种被称为交流磁化率的测量技术也达到了同样的效果。这项技术是在样品旁边用微小的磁线圈生成振荡磁场，再观察材料中任何感应电压变化。随着超导体被冷却到低于超导转变温度，感应电压一般会显示出下降。氢化物有一样的表现。“我们看到的所有证据都符合BCS模型。”迪亚斯说。

斯蒂文·路易确信氢化物会通过检验，符合对超导体的要求，并指出多个团队报告了硫氢化物（三氢化硫）、镧氢化物和钇氢化物拥有超导性的证据。伊娃·楚雷克（Eva Zurek）是纽约州立大学水牛城分校的理论化学家，她说：“对我来说，那很有说服力。”

物理学家兰加·迪亚斯用装于盒子中的金刚石压砧来寻找新的超导体。然而，他的目标是一种能在压砧外继续存在的室温超导体

然而，就算其他氢化物实验者犹豫地认可迪亚斯的室温超导体，但这依然是一次性的结果。“过去6个月里，我们一直在试图复制实验，但到现在为止我们尚未见到成果。”埃雷梅茨说。大阪大学物理学家清水克哉（Katsuya Shimizu）曾制造出三氢化硫，对此也很慎重，说：“在我重复实验结果之前，我不会相信。”迪亚斯要求大家有点耐心。“解决这个问题需要时间，”他说，“我们花费了几年时间来做出结果。不能指望其他人用数周时间就做出来。”

“假若CSH结果确实属实，那就产生一个重要问题：可否达到常压？”迪亚斯问道，“这是我们目前在推动的研究。”

第一个任务会是寻找其他在室温下展现超导性的氢化物。在普通超导体中，超导转变温度依赖于两个主要因素。第一个因素是材料中没有紧紧围绕个别原子，而是自由传导的电子丰度。一般来说，传导的电子越多越好。第二个因素是晶格中原子的振荡得有多快——晶格振动本质上将一对对电子连接起来，越快越好。氢是最轻的原子，振荡得最快，但氢原子晶格并非十分刚硬，很容易裂解。于是科学家不得不施加外部压力来避免氢原子飞散。

为了提高超导转变温度和降低外部压力，科研人员需要一些化学配方，要么是给氢原子晶格添加一些电子，要么是将氢原子关入刚度更高的晶格中。研究者已经报告用这两种策略取得成功，产生两类拥有截然不同的三维结构的氢化物。第一类氢化物包括由氢原子构成的重复笼状结构，每个笼子里有一个富含电子的金属原子，譬如镧或者钇。第二类氢化物添加轻质元素，目标是直接与氢原子连接，创造出连锁原子的连续网络。

迪亚斯和同事们，包括罗切斯特大学的理论物理学家胡素兴（Suxing Hu）在内，他们相信CSH材料形成这样一个连锁网格。在5月13日发布的预印本中，包括伊利诺伊大学芝加哥分校化学家拉塞尔·赫姆利（Russell Hemley）在内的研究人员用X光照射一份迪亚斯团队在金刚石压砧内制造出的CSH样品。在至少178 Gpa压力下，当钻石破裂时，赫姆利团队看见了常规的硫原子结晶形态的证据。胡素兴和同事们接着利用赫姆利的数据来为CSH作结构建模。团队发现，CSH最可能采用与三氢化硫相同的立方结构，三氢化硫的超导转变温度比CSH材料低了80 K。因为比起硫原子或氢原子，碳原子倾向与毗邻原子建立更强的连接，所以碳原子也许是在室温下让晶格合在一起的原因。

为了进一步降低压力，胡素兴、迪亚斯和其他研究人员提出添加更多的碳或者硼元素。事实上，博埃里与同事们在7月15日《物理评论》上发表了一篇论文，预测氢硼化镧（LaBH8）能在50 GPa压力下在126 K温度下显示超导性。其他专家早已预测，诸如钙氢化物或锕氢化物之类的氢化物应该能在一个比CSH材料所需压力小不少的压力下，在接近室温的温度下显示超导性。然而，博埃里仍然说：“我不确定我们能否达到常压。”

迪亚斯的看法更加乐观。今年3月的美国物理学会会议上，迪亚斯说他掌握初步证据，一种室温下的氢化物超导体在最低为20 GPa的压力下保持稳定，这个压力不足CSH材料所需压力的1/10。但因为他和团队正在为那个发现申请专利和收集更多数据，他不愿意透露那种材料是什么。他预测：“假如该结论站得住脚，它会是向前迈出的重要一步。我想我们很快就会实现目标。”

迪亚斯对此寄予厚望。他最近成立一家名叫异世材料的公司，假如发现任何在接近常压条件下见效的超导体的话，就由这家公司来制造氢化物超导体，并将之商品化。如果科研人员能进一步降低压力到10 GPa以下，那么他们就能抛弃金刚石压砧。那时就会开启制造出更大的氢化物样品的大门，允许科研团队在无法获取金刚石压砧的情况下进入这场争论，也让直接探测迈斯纳效应成为可能，怀疑论者们依然在等待看到这个代表超导性的信号。

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资料来源 Science