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首次实现室温超导，创下世界纪录！今日《Nature》成果将写入教科书！
来源：e测试 2020-10-16 14:13:57
一、研究背景
对于超导体（英文名：superconductor），大家一定不陌生，中学课本里面就曾提过这种材料，超导体又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。这也意味着电流传输“零损耗”，超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。人类最初发现超导体是在1911年，这一年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人发现，汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入，一方面，多种具有实用潜力的超导材料被发现，另一方面，对超导机理的研究也有一定进展。
一直以来，科学家们只在很低的温度下才观察到超导现象，这就严重限制了其进一步应用，但相关探索也从来没有停止。
1986年，缪勒和柏诺兹发现一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4具有高温超导性，临界温度可达35K（-240.15℃）。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，因此这个发现的意义很大，缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。此后，高温超导的研究迅速发展。
1986年，美国贝尔实验室研制出临界超导温度达40K（﹣235.15℃）的超导材料，打破液氢的“温度壁垒”（40K）
1987年，美国华裔科学家、休斯顿大学教授朱经武以及中国科学家赵忠贤相继研制出钇－钡－铜－氧系材料，临界超导温度提高到90K（-185.15℃）以上，打破液氮的“温度壁垒”（77K）。
1987年底，发现铊－钡－钙－铜－氧系材料的临界温度达125K（﹣150.15℃）。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
1988年，日本日立制作所发现，汞系超导材料的临界温度达135K，在高压条件下，其临界温度将能达到164K。
2019年，德国马普化学所Drozdov教授课题组报道了当压力为地球大气压的一百万倍时，氢化镧化合物在250 K（-23℃）时就会转变为超导体，这是已知的最接近室温的超导体。但很明显，这个温度仍然离室温还较远！
可以说百年以来，充满好奇心的科研人员对超导材料的探索从未止步！由于目前超导材料的实现温度太低，因此科学家们一直在研究如何才能实现室温下的超导材料，这也是最大的难点。
二、研究成果
为了解决这个百年难题，美国罗彻斯特大学Ranga P. Dias教授课题组报告了从元素前体开始的光化学转化的碳氢硫化碳系统中的超导性，在267±10 GPa下实现了287.7±1.2 K（约15摄氏度）的最大超导转变温度，成功实现室温超导，打破世界纪录，这一成果注定将写入教科书，具有里程碑意义。在金刚石砧室的宽压力范围内（从140到275 GPa）观察到超导状态，而转变温度在220 GPa以上时急剧上升。通过观察零电阻，最高190 GPa的磁化率以及在最高9特斯拉的外部磁场下降低转变温度来建立超导性，根据Ginzburg-Landau模型在零温度下的最大临界磁场约为62特斯拉。在三元系统中引入化学调节可以在较低压力下保持室温超导性，这种有机超导体系首次包含三种元素，而不是两种元素。相关研究工作以“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
三、图文速递
图1. 在高压下C–S-H体系中的超导性表征
光化学合成的C–S–H系统变得超导，其最高临界温度在267±10 GPa时为T c = 287.7±1.2K。温度探头的精度为±0.1K。在小于1 K的温度变化下测得的温度变化小于1 K时，电阻向零的急剧下降就证明了超导转变。
图2. 在外部磁场下的磁化率和超导转变
对超导性的一种出色测试是在交流磁化率中寻找强抗磁跃迁。在图2a中，与温度有关的ac磁化率χ '显示了其中一个实验运行的样本。超导的开始是通过大的磁化率（10-15 nV）急剧下降来表示反磁性转变，随着压力的增加，转变为更高的温度。以这种方式测得的最高转变温度为198 K（转变中点），达到最高测得压力（189 GPa）。
图3 C+S+H2混合物的光化学产物的压力诱导拉曼变化
拉曼光谱的区域III从37 GPa开始，它揭示了新的晶格模式的出现，H2荧光子的进一步分裂以及大多数拉曼特征的最终消失。从这些数据可以得出结论，另一个相变发生在37 GPa。没有拉曼特征表明存在硫，因此可以确定碳氢化硫系统不会发生化学分解。拉曼信号在高于60 GPa时会丢失，并且通过传输测量确认了金属化。
四、结论与展望
室温超导，是一个世纪以来科学家们的梦想，一旦实现，便有巨大的应用价值，超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗，超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势，是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。和常规磁悬浮技术相比，超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全，是未来交通工具的重要明星之一。目前这个室温超导材料虽然已经实现，但其对应压力为260 GPa，但研究人员表示，通过调节化学组成，可以降低压力，这项工作也注定是具有里程碑意义的，相信在未来，室温超导材料一定能取得越来越多的成果，也正是科学家们不断探索的努力，才使得今天科技不断向前进步，让我们享受科技带来的便捷！
五、文章官网链接
链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z
