室温超导研究在争议中稳步推进

Mark Peplow

doi:10.1016/j.eng.2024.06.005

工程（英文） ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (7) : 11 -14. DOI: 10.1016/j.eng.2024.06.005

新闻热点

室温超导研究在争议中稳步推进

Mark Peplow

作者信息 +

Controversy Clouds Real Progress in Superconductor Research

Mark Peplow

Author information +

文章历史 +

PDF (1075K)

引用本文

引用格式 ▾

Mark Peplow. 室温超导研究在争议中稳步推进[J]. 工程（英文）, 2024, 38(7): 11-14 DOI:10.1016/j.eng.2024.06.005

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

在2023年3月8日出版的《自然》（Nature）杂志上，一篇论文引发全球关注[1‒2]，该论文介绍了一种新型超导体材料，其性能取得了突破性进展。罗切斯特大学（美国纽约州罗切斯特市）机械工程学助理教授Ranga P. Dias领导的团队介绍了一种氢化物材料，该材料可在相当于大气压10 000倍的压力且接近于室温下实现超导[3]。

超导材料可以实现零电阻地传输电流，因此不会以热量的形式损失掉能量。现有研究证明，超导体特别适用于建造强力电磁体，而这类电磁体在磁共振成像（MRI）扫描仪和大型粒子加速器中是必不可少的（图1）。但存在一个难题：大多数电磁体材料只能在极低的温度下实现超导，这需要使用昂贵的冷却剂和复杂的工程技术，因此限制了超导体的应用。物理学家将室温超导体视为“圣杯”——一个可以给电网、交通等领域带来翻天覆地变化的绝世珍宝。实用的室温超导体将大大降低强力电磁铁的生产和运行成本。这种材料甚至可以用来长距离输送电力而不损失能量，还可以用来制造高效的电动机。

然而，该领域的专家认为Dias等的报告结果完美得令人难以置信。这已经不是第一次了，之前Dias团队也曾声称发现了室温超导体，并且也曾受到过质疑。2022年，《自然》杂志撤回了Dias等于2020年发表的一篇论文，该论文也报道了这种材料[4‒5]。2023年11月，鉴于Dias的大多数合著者对其研究结果的真实性表示担忧，《自然》杂志撤回了其最近发表的这篇论文，这证明人们对该论文的质疑不无道理[6‒7]。

遗憾的是，在2023年引发争议的超导研究成果不止Dias团队一家。围绕这些争议以及之前争议所引发的风波，已经遮蔽了近年来超导材料领域的真正进展。剑桥大学的材料科学教授Chris J. Pickard说：“我们的注意力都集中于对室温超导体的追求上面，却忽略了在这个领域正在发生的其他可喜进展。”研究人员发现了一系列全新超导材料，其中一些材料的超导温度比家用冰箱低不了多少——尽管只能在高压下才能实现。同时，Pickard说，研究人员正逐步借助计算模拟和机器学习对这些材料进行微调，进一步提高其性能。

科学家们在一个多世纪前就发现了超导现象，但直到近50年来才弄清楚其工作原理[8]。当超导体晶格中的原子振动时，电子就会聚集在一起，形成所谓的库珀对。由于电子凝聚，大量电子可以在材料中滑行而不会碰到原子，从而实现零电阻下的电流流动。但高温很容易使库珀对分裂，所以只有在冷却到其极低的临界温度以下时，标准超导体才能发挥作用。例如，MRI扫描仪中的超导磁体所含的铌钛材料通常使用液氦冷却到4 K。

相比之下，所谓的高温超导体可以在77 K（液氮温度）以上发挥性能。由于液氮比液氦更容易处理并且成本也低得多，因此高温超导体有可能实现更广泛的应用。20世纪80年代，科学家发现了第一个高温超导体，即一种叫做铜氧化物的铜基材料[图2（a）]。经过不断改进，该材料的临界温度在1993年达到了133 K [9]，但之后就停滞不前了，部分原因是铜氧化物库珀对的形成方式与传统超导体不同。意大利罗马大学理论凝聚态物理学副教Lilia Boeri说，物理学家缺乏可靠的理论来指导他们进一步改进这种材料。不过，现在已有几家公司生产含有铜氧化物的超导电缆，同时使用液氮冷却芯将铜氧化物冷却[10]。但铜氧化物通常易碎且昂贵，因此这类材料的应用也受到了限制[10]。

最近，物理学家对铁基和镍基超导体产生了浓厚兴趣，这些超导体与铜氧化物有一些相似之处，可能有助于研究人员理解非常规超导性[11]。但是这些材料的临界温度都没有超过最佳铜氧化物材料。

在21世纪第一个十年发现氢化物之前，铜氧化物一直是超导体中的佼佼者。这些材料的原子晶格中的氢原子能以极高的频率振动，从而增强了库珀对的耦合强度，使它们能够在较高温度下保持在一起。需要注意的是，要将氢原子挤压在一起，形成一种金属态，才能产生这种效应。要达到这种金属态需要极高的压力——相当于地核压力。

2015年，马克斯·普朗克化学研究所（Max Planck Institute for Chemistry，德国美因茨）的一位研究组组长Mikhail Eremets及其同事发现，如果将硫氢化物（H₃S）置于一种称为金刚石压砧的特殊装置中，使其处于145 GPa的压力下，则该物质可以在203 K温度下出现超导性[12]。四年后，Eremets团队发现，十氢化镧（LaH₁₀）可以在250 K温度和170 GPa压力下出现超导性，这是有史以来最高的临界温度[图2（b）] [13]。

由于所需压力过高，因此无法将上述材料付诸实际应用。但与铜氧化物不同的是，氢化物是传统超导体，其特性能够从理论上得到很好的阐述，因此研究人员对此持乐观态度，他们可以在当前可喜成果的基础上加以改进。目前，一些科学家正在努力降低氢化物的工作压力，而另一些科学家则正在想办法进一步提高其临界温度，甚至可能提高到室温。Eremets称：“常压下实现高温超导性将彻底改变世界。”

因此，Dias等[4]在2020年公布的一项研究表明，碳、硫和氢的化合物在288 K温度（基本上是室温）和267 GPa压力下出现了超导性，这一成果引起了轰动。可是如前所述，因为对其报告的关键数据的可靠性产生了怀疑，《自然》杂志于2022年撤回了该论文[5]。

之后，Dias等[3]在2023年发表的报告中声称，一种掺氮的氢化镥材料在294 K温度和仅1 GPa压力下出现了超导性。然而不久之后，其他研究人员试图通过独立工作复制这项新成果，但失败了。同时，理论学家的计算表明，这种物质在这种条件下不可能存在，更不用说产生超导了[14]。Boeri和Pickard等对这些说法做了调查并表示：“人们对这个结果深表怀疑。”该论文被撤回后，《自然》杂志团队的调查结果显示，Dias在论文中捏造了数据[15‒16]。Boeri说，现在学术界已经完全否定了Dias的工作，罗切斯特大学已经剥夺了Dias的学生资格、教学资格和实验室使用权[15]。

在Dias丑闻曝光的同时，韩国首尔一家名为Quantum Energy Research Centre的初创公司爆出一则声明，举世皆惊。2023年7月，由Sukbae Le和Ji-Hoon Kim领导的公司团队声称已经用铜、铅、磷和氧制备了一种在大气压和高达400 K的温度下实现超导的材料[17‒18]。

这种被命名为LK-99的材料立即引起了超导研究人员的怀疑，他们很快证明，可能是材料中的杂质导致出现了所谓的超导现象，包括磁悬浮和电阻突变现象[18‒19]。研究人员还发现，这种材料的纯态实际上是一种绝缘体，因此不可能具有超导性[20]。然而，一些科学家仍然希望这一学术主张能为如何实现室温超导性提供有用线索。例如，中国的两个研究团队于2024年1月发表报告称，在一种与LK-99非常相似的材料中发现了超导迹象[21]。

至于这些备受争议的事件对超导领域会产生怎样的影响，人们各持己见。Eremets称Dias丑闻是一场“灾难”，他还担心这会致使融资机构在支持氢化物研究方面变得更加谨慎。不过，关于LK-99事件，Boeri的态度却比较乐观。“我认为这些事件并没有造成太大的负面影响。”她说，“在某种程度上，它产生了积极的影响，正是因为这些事件，让人们对超导研究有了更多了解。”

如果透过这些事件往长远去看，人们会发现超导性研究已经取得了阶段性的成功（图3）[22]。在过去的二十年里，理论结构预测有了显著进步，因而研究人员能够计算出电子能量和其他关键性状，用来预测某种材料是否可能是高温超导体。这些计算为实验科学家提供了宝贵的指导，能够帮助他们确定应该制造和测试哪些材料。而他们的研究结果又反馈给超导体的理论和建模工作，进一步完善模拟分析。“理论和实验之间有良好的协同作用。” Eremets说，“这将有力地推动这一领域的发展。”

例如，在2023年10月11日发布的预印本中，Pickard及其同事公布的计算结果表明，镁铱氢化物材料应该能够在160 K温度和环境压力下实现超导[23]。他们还提出了一种可以在实验室中制造这种材料的可行方法，当然，这种方法颇有难度。就在此前一天，即2023年10月10日，马克斯·普朗克微结构物理研究所（德国哈雷）的Antonio Sanna和Miguel A. L. Marques领导的团队在预印本中，对同一种材料做了独立预测，认为这种材料应该是高温超导体[24]。

Pickard估计，最终有可能发现一种在约200 K温度和常压下实现超导的氢化物[25]。Pickard说，降低氢化物实现超导所需的压力，不仅能使实际应用更接近实现，而且有助于推动进一步的研究。如今，只有像Eremets所在机构这样少数的实验室拥有必备的专业设备和专业知识，能够在巨大压力下创建和研究超导材料。Pickard说，较低的操作压力能让更多的研究人员加入这项研究，更容易地找到新的超导体，并且对层出不穷的惊人结论进行验证。“如果能让超导压力接近环境压力，那么就能对这个领域进行深入研究。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Chang K. New room-temperature superconductor offers tantalizing possibilities [Internet]. New York City: The New York Times; 2023 Mar 8 [cited 2024 Apr 11]. Available from:

[2]	Service RF. Superconducting crystal may be ‘revolutionary’. Science 2023;379(6636):966‒7. . 10.1126/science.adh4960

[3]	Dasenbrock-Gammon N, Snider E, McBride R, Pasan H, Durkee D, Khalvashi-Sutter N, et al. Retracted article: Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 2023;615:244‒50. . 10.1038/s41586-023-05742-0

[4]	Snider E, Dasenbrock-Gammon N, McBride R, Debessai M, Vindana H, Vencatasamy K, et al. Retracted article: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 2020;586:373‒7. . 10.1038/s41586-020-2801-z

[5]	Snider E, Dasenbrock-Gammon N, McBride R, Debessai M, Vindana H, Vencatasamy K, et al. Retraction note: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 2022;610:804. . 10.1038/s41586-022-05294-9

[6]	Jin CQ, Ceperley D. Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain. Nature 2023;615:221‒2. . 10.1038/d41586-023-00599-9

[7]	Dasenbrock-Gammon N, Snider E, McBride R, Pasan H, Durkee D, Khalvashi-Sutter N, et al. Retraction note: Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride. Nature 2023;624:460. . 10.1038/s41586-023-06774-2

[8]	Heike Kamerlingh Onnes facts [Internet]. Stockholm: Nobel Prize Outreach AB; c2024 [cited 2024 Apr 11]. Available from: 10.1007/978-3-031-66238-6_1

[9]	Schilling A, Cantoni M, Guo JD, Ott HR. Superconductivity above 130 K in the Hg‒Ba‒Ca‒Cu‒O system. Nature 1993;363:56‒8. . 10.1038/363056a0

[10]	Rahman A, Rahaman Z, Samsuddoha N. A review on cuprate based superconducting materials including characteristics and applications. Amer J Phys Appl 2015;3(2):39‒56. . 10.11648/j.ajpa.20150302.15

[11]	Li D, Lee K, Wang BY, Osada M, Crossley S, Lee HR, et al. Superconductivity in an infinite-layer nickelate. Nature 2019;572:624‒7. . 10.1038/s41586-019-1496-5

[12]	Drozdov AP, Eremets MI, Troyan IA, Ksenofontov V, Shylin SI. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Nature 2015;525:73‒6. . 10.1038/nature14964

[13]	Drozdov AP, Kong PP, Minkov VS, Besedin SP, Kuzovnikow MA, Mozaffari S, et al. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature 2019;569:528‒31. . 10.1038/s41586-019-1201-8

[14]	Ferreira PP, Conway LJ, Cucciari A, Di Cataldo S, Giannessi F, Kogler E, et al. Search for ambient superconductivity in the Lu‒N‒H system. Nat Commun 2023;14:5367. . 10.1038/s41467-023-41005-2

[15]	Garisto D. Superconductivity scandal: the inside story of deception in a rising star’s physics lab. Nature. In press. . 10.1038/d41586-024-00716-2

[16]	Garisto D. Exclusive: official investigation reveals how superconductivity physicist faked blockbuster results. Nature 2024;628:481‒3. . 10.1038/d41586-024-00976-y

[17]	Lee S, Kim J, Kim HT, Im S, An S, Auh KH. Superconductor Pb_10- _x Cu _x (PO₄)₆O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism. 2023. arXiv:

[18]	Guo K, Li Y, Jia S. Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples. Sci China Phys Mech Astron 2023;66:107411. . 10.1007/s11433-023-2201-9

[19]	Zhu S, Wu W, Li Z, Luo J. First order transition in Pb_10- _x Cu _x (PO₄)₆O (0.9 < x < 1.1) containing Cu2S. 2023. arXiv:10.2139/ssrn.4541696

[20]	Puphal P, Akbar MYP, Hepting M, Goering E, Isobe M, Nugroho AA, et al. Single crystal synthesis, structure, and magnetism of Pb_10- _x Cu _x (PO₄)₆O. 2023. arXiv:10.1063/5.0172755

[21]	Wang H, Yao Y, Shi K, Zhao Y, Wu H, Wu Z, et al. Possible Meissner effect near room temperature in copper-substituted lead apatite. 2024. arXiv:10.1103/physrevb.110.104109

[22]	Pickard CJ, Errea I, Eremets MI. Superconducting hydrides under pressure. Annu Rev Condens Matter Phys 2020;11:57‒76. . 10.1146/annurev-conmatphys-031218-013413

[23]	Dolui K, Conway LJ, Heil C, Strobel TA, Prasankumar RP, Pickard CJ. Feasible route to high-temperature ambient-pressure hydride superconductivity. 2023.arXiv:10.1103/physrevlett.132.166001

[24]	Sanna A, Cerqueira TFT, Fang YW, Errea I, Ludwig A, Marques MAL. Prediction of ambient pressure conventional superconductivity above 80 K in hydride compounds. 2023. arXiv:10.1038/s41524-024-01214-9

[25]	Shipley AM, Hutcheon MJ, Needs RJ, Pickard CJ. High-throughput discovery of high-temperature conventional superconductors. Phys Rev B 2021;104(5):054501. . 10.1103/physrevb.104.054501