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最近，物理界發生了一件震驚衆人的大事。

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聞聽此言，吃瓜群衆連手中的瓜都驚掉了。

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為什麼這件事情引起如此大的關注呢？這要從超導體的應用說起。

所以電阻會消失的對嗎？

超導體：是的

根據物質的導電性能，可以将其分為導體、半導體和絕緣體。

在導體中，存在大量可以自由移動的帶電粒子，他們可以在外電場的作用下自由移動，形成電流。

導體中自由的電子 | 圖片來源

在絕緣體中，電子則被束縛在原子周圍，不能自由移動。

半導體則介于二者之間。

自由如導體，電子在運動的過程中也會受到原子的散射，産生電阻。

當溫度降低到一定程度時，一些物質會進入一種奇妙的狀态——超導态。此時電阻消失了，電子在其中無阻礙地運動。這個溫度稱為超導轉變溫度。

這個特性使得超導在應用方面大有作為：沒有電阻就不會産生焦耳熱，因此可以應用于大規模集成電路，建設超導計算機；能夠承載較大電流而不會有電流損耗，可以制作高壓輸電線、超導電機等。

超導電機 | 圖片來源

除此之外，超導體還有兩個特征：完全抗磁性和約瑟夫森效應。

普通導體處于磁場中時，其體内會産生一個感應磁場。而處于超導态的物質，無論外磁場如何變化，其體内的磁感應強度一定為零。

我們熟悉的磁懸浮列車就利用了這個特性。超導線圈可以承載很大的電流，形成強大的超導磁體。列車和軌道上分别裝備有超導磁體。當存在外磁場時，由于完全抗磁性，超導體内部會産生一個相反的磁場，使超導體内部的總磁感應強度為零。由此産生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運動。

超導電力懸浮系統 | 圖片來源

約瑟夫森效應是指兩個超導體間隔很近，中間可以視為絕緣層，當距離近至原子尺度時，超導體中的電子對就可以越過絕緣層，産生超導電流。利用約瑟夫森效應可以制作超導量子幹涉儀，用于測量非常微小的磁信号。

既然處于超導态的材料有這麼多用途，為何沒有廣泛應用于生活中呢？

因為隻有在特定溫度之下，材料才會進入超導狀态。這個臨界溫度非常低，往往為幾十開爾文（大約零下二百多度！），這在日常生活中非常難達到，阻止了超導材料的大規模應用。

所以大家應該明白，為什麼室溫超導能讓那麼多人心中振奮了吧！

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高壓室溫超導

是如何實現的？

回到這個舉世矚目的成果。本次出現高溫超導的材料為碳（C）、氫（H）和硫（S）的化合物，其電阻随溫度變化的曲線如下圖：

R-T曲線 | 圖片來源

由曲線可以分析出，此種化合物仍屬于常規超導體。

超導體分為常規超導體和高溫超導體，其中常規超導體中電子-聲子相互作用較弱，可以用BCS理論解釋；高溫超導體（主要包括銅氧化物超導體和鐵基超導體），則不能用BCS理論解釋。

BCS理論認為，超導态物質之所以有完全導電性，是因為低溫下，電子中自旋、動量都相反的可以兩兩結合成對，稱為Cooper（庫珀）對。Cooper對在晶格中的運動是無損耗的。

那麼，有讀者可能會提出疑問了。電子和電子之間明明同性相斥，怎麼能結合成對呢？

這是由于電子間不是直接相互作用的，而是通過晶格振動傳遞相互作用的：帶負電的電子在運動時，會對附近帶正電的晶格粒子産生吸引作用，而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子，會異性相吸吸引來其他帶負電的電子。

怎麼才能使電子更容易形成Cooper對呢？當然是一個電子吸引來的晶格粒子越多越好啦！而其中最輕的粒子，也就是元素周期表的第一位：氫（H），成為最佳候選人。

固體氫的熔點為14K（約-259℃），而且低溫并不超導。科學家們預測，在高壓下，固體氫會由絕緣态變為金屬态。由于H原子很輕，因此金屬氫形成Cooper對的溫度，即超導轉變溫度也應該很高，更可能接近室溫，但所需的高壓也非常高——高到現有的設備難以滿足。而一些含H的化合物，則可以在目前技術水平可達到的高壓下，在室溫形成超導體。如2019年，德國馬普所研究的氫化镧（LaH10）就可以在170GPa（170萬個大氣壓）的高壓下，實現250K（約-23℃）的超導轉變溫度。而本次使用的C、H、S化合物則取得了進一步突破，在267GPa（267萬個大氣壓）的高壓下，實現288K（約15℃）的超導轉變。值得一提的是，此前我國科學家（吉林大學崔田、馬琰銘團隊）也曾經理論預測過本材料的高溫超導電性。

雖然解決了溫度這一難題，但又出現了高壓這個難題，此次的室溫超導是在267GPa的高壓下達成的，這是什麼概念呢？地球地心處的壓力約為300GPa，267GPa已經十分接近地心壓力了。這麼高的壓力，全世界也隻有很少的實驗室可以達到。

那麼，這項研究是不是沒什麼實際意義呢？非也！這個實驗可以給我們帶來的啟發非常非常多：啟發我們思考常規超導體和高溫超導體的關系、超導電子配對的機制、未來尋找新材料的方向、應用超導技術的新領域等等。而且，它還給我們描述了一個美好的未來，一個超導機理的謎團解開，真理現于世間的未來；一個常壓室溫超導成為現實、超導技術大範圍造福于民的未來。畢竟夢想還是要有的，萬一真的實現了呢？

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出品：科普中國

制作：米老貓（中科院物理所）

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

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編輯：Norma

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