感受壓力

編譯 姚人杰

在這個金剛石壓砧中，一種碳、硫、氫元素的化合物被擠壓于兩塊小鉆石中間，在室溫下展顯示出超導跡象

在紐約州羅切斯特，蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）每年會摧毀大約價值10萬美元的鉆石，將它們壓成灰色粉末，再丟進垃圾桶。這筆錢花得值得。這些超級堅硬的鉆石的犧牲是為了實現(xiàn)數(shù)代科研人員追逐的目標。

這些直徑2毫米的鉆石在犧牲之前，成對充當了微型虎鉗中的鉗口。2020年秋，迪亞斯當時還是羅切斯特大學的一名物理學家，與同事一起用這套裝備對一些碳元素、硫元素和氫氣施壓，達到接近地球中心壓力的程度。巨大壓力將元素重新整合為碳硫氫化物（CSH），據(jù)報道，這是第一種能在室溫下無損失地傳導電流的物質(zhì)——此處的室溫自然是偏涼快的。那項實驗幾乎像所有這類研究一樣終止：鉆石鉗口突然爆裂，全球唯一的室溫超導體消失于一陣輕煙。

迄今為止，還沒人比得上這份功績。但其他高壓物理學家團隊正在自行壓碎鉆石作為嘗試。那些研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，好幾種其他富含氫的材料在相對較高的溫度下展現(xiàn)出超導性。那些材料被合稱為氫化物，但那些材料除了含有氫元素，還有鑭或釔之類的其他元素，和迪亞斯的碳硫氫化物相比，仍然需要略微冷卻（有時是大幅降溫）。

這些氫化物已經(jīng)變革了超導性研究，顯示出超導性能在過去僅能在夢想的室溫下發(fā)生，過往的超導體只有在冷卻到-100℃以下才顯示出超導性質(zhì)。然而迄今為止，那些材料僅能制造出零點幾克的量，只有在受到極強壓力的擠壓時才具有超導性。這一限制使得那些材料完全不切實際，無法用于現(xiàn)實世界。于是一項新目標應運而生：當壓力消失后依然保持性質(zhì)的室溫超導體。這類超導體材料將使得各種各樣的進展成為可能，比如不會以熱能形式損失大量能量，或者運送大量電力負載卻沒有慣常損耗的輸電線，能省下數(shù)十億美元和兆噸級的碳排放量。

“這會是一個挑戰(zhàn)。”加州大學伯克利分校的超導理論家斯蒂文·路易（Steven Louie）說，他沒有進行氫化物超導體研究，“但這些是讓人激動萬分的發(fā)展。長期以來，人們認為超導體不可能達到室溫水平。氫化物顯示這不是真的?！?/p>

但并非每個人都信服研究結果?！昂苋菀资艿接夼＿@些是在強壓力下，在極其小的樣品上完成的困難實驗?！奔又荽髮W圣地亞哥分校的理論物理學家豪爾赫·赫希（Jorge Hirsch）說道，他是氫化物超導性主張的首要批評者，“一些研究是在進行中，但我也認為，研究的結果不是有意思的物理學新發(fā)現(xiàn)，而是實驗性的人工產(chǎn)物。”

“每一次發(fā)生這種范式轉(zhuǎn)移（paradigm shift），人們會將它向后推?！钡蟻喫够貞馈Ｋ夂障５囊豁椨^點，高壓試驗確實難以成功完成，可能產(chǎn)生一些難以解讀的實驗結果。但迪亞斯和其他氫化物研究者對他們的觀察很自信。理論預測和初步實驗結果都表明，大幅降低對壓力的需求是可行的，于是科學家們向前推進。

盡管擁有鉆石，但迪亞斯的實驗室并非首飾盒。它坐落在一座20世紀60年代建成的、方方正正的四層樓建筑的底樓。實驗室的核心是一個拳頭大小、紫銅色的圓柱體，名叫金剛石壓砧單元。一旦裝上起始材料并旋緊閉合，這個單元就放入一只固定在桌上的藍色小金屬盒。金屬盒內(nèi)有一臺低溫冷卻器，用液氦來精確控制溫度。桌上的鏡子引導激光從窗口射入金剛石壓砧單元內(nèi)。

為了獲得超導體，研究人員利用增壓惰性氣流驅(qū)動鉆石，在鉆石的尖頂產(chǎn)生放大許多倍的力。一道綠色激光瞄準穿過鉆石，引發(fā)化學反應，將碳、硫和氫原子結合為晶形固體。接著，相同的激光依靠拉曼光譜學探測材料，揭示出哪些化學元素彼此結合。放置在鉆石之間的迷你導線追蹤材料的電阻，以便偵測超導性標志性的電阻驟降為零的特征。實驗不間斷地持續(xù)進行——有時長達數(shù)周——直到無可避免地噼啪聲再度響起，又一對鉆石變成粉末。

迪亞斯是斯里蘭卡人，為了在華盛頓州立大學讀博而來到美國，研究爆炸如何將材料沖擊成新形狀。他之后到哈佛大學，跟著物理學家艾薩克·西爾韋拉（Isaac Silvera）做博士后工作，內(nèi)容是利用強大壓力將氫氣轉(zhuǎn)變成金屬，他們猜測那種材料也許是超導的。此前已有其他研究人員宣稱見過金屬氫的跡象，但那些結果仍然有爭議。2017年，迪亞斯和西爾韋拉在《科學》發(fā)表文章，說他們已經(jīng)成功地將氫俘獲于金剛石壓砧單元，將壓力提高到495 Gpa，是大氣壓的480多萬倍，將氣體轉(zhuǎn)變?yōu)殂y色的固體。

該研究結果引起許多贊揚和反對。“垃圾這個詞不足以形容這項研究?！绷硪晃粚＜以谀菚r說道。批評者警告說，哈佛大學的這對搭檔僅僅發(fā)表了一個研究結果，沒有復制性研究。但迪亞斯和西爾韋拉堅信他們的研究結果。西爾韋拉還說，他希望在不久后發(fā)表另外的正面結果。

就算金屬氫真實存在，被確定具有超導性，但這種物質(zhì)僅存在于數(shù)百萬個標準大氣壓下，不會在現(xiàn)實世界造成多少影響?！罢秊榇斯剩C明氫化物（氫化物有望在更低壓力下實現(xiàn)超導性）擁有超導性是重要得多的挑戰(zhàn)。它會產(chǎn)生巨大影響?！钡蟻喫拐f。

最初的超導體由荷蘭物理學家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)于1911年，就是一塊塊諸如汞和鈮的元素金屬被冷卻到絕對零度以上幾度。在如此低溫下，電子行進時不再碰撞原子，也就不再將部分能量讓渡給熱能，于是電阻消失了。

1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Meissner）注意到超導體的另一項特征：超導體排斥磁場。這個現(xiàn)象成為一個謎團，一直到1957年，才由美國物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·庫珀（Leon Cooper）和羅伯特·施里弗（Robert Schrieffer）解釋第一類超導體的原理。他們的BCS理論提出，電子颼颼地穿過超導金屬，導致材料原子晶格變形，帶正電的原子核受其吸引，微微靠近它。電子周圍的電荷再分布，吸引另一個電子到它后面，類似于一個人躺在床上的重量吸引第二個人靠近他。這個效應解釋了電子的無阻抗流動。對磁場的排斥被稱為邁斯納效應，是自由流動的電子帶來的副作用：外部磁場遇到超導體時，磁場在超導體內(nèi)引起電流軸轉(zhuǎn)，這就生成它自身的磁場，抵消了外部磁場。

下一個大進展出現(xiàn)于1986年，IBM公司蘇黎世科研實驗室的物理學家格奧爾格·貝德諾爾茨（J. Georg Bednorz）與亞歷山大·米勒（K. Alexander Müller）發(fā)現(xiàn)，氧化銅陶瓷（被稱為銅酸鹽）能夠在30 K溫度下顯示超導性。這個超導轉(zhuǎn)變溫度（即臨界溫度Tc）很快就在其他銅酸鹽實驗中被推進到77 K以上，這個溫度用液氮就能達到。這個發(fā)現(xiàn)為更廣闊的應用開啟了大門，因為液氮價格比冷卻第一類超導體所需的液氫便宜得多。到2005年時，科研人員已經(jīng)在高壓下用汞基銅酸鹽將超導轉(zhuǎn)變溫度推進到166 K左右。但之后超導轉(zhuǎn)變溫度的大進軍戛然而止。

通向高溫超導體的另一條潛在路徑在召喚：氫。1968年，康奈爾大學的理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）提出，將氫氣置于強大壓力下，會讓它轉(zhuǎn)變成能夠顯示超導性的固體晶格。他的構想未受重視，因為當時的虎鉗未能生成必要的壓力；直到方案改進出現(xiàn)后，包括西爾韋拉研究組在內(nèi)的團隊才能嘗試制造固體金屬氫。然后就開啟了一條全新的研究路線。

2004年，阿什克羅夫特提出，為氫氣添加其他元素也許能增加“化學預壓縮”，在更低的壓力下穩(wěn)定氫晶格。制造超導氫化物的競賽就此開始。2015年，包括馬克斯·普朗克化學研究所物理學家米哈伊爾·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）在內(nèi)的科研人員在《自然》中報告，一種硫氫混合物在加壓到155 Gpa時，在203 K溫度下出現(xiàn)超導性。在之后的3年里，埃雷梅茨和其他研究者將超導轉(zhuǎn)變溫度提高到250 K，用的是含有重金屬鑭的氫化物。接著出現(xiàn)了迪亞斯的碳硫氫化物，他們于2020年底在《自然》雜志報告了研究成果，于267 Gpa的壓力下，在287 K的溫度——也就是葡萄酒酒窖的溫度——下實現(xiàn)超導，2021年又有多個研究團隊宣布，他們用釔氫化物在相近的溫度下實現(xiàn)超導。“進展得十分快?！绷_馬大學的理論物理學家莉莉亞·博埃里（Lilia Boeri）說道。

一些研究者爭辯說，進展太快了。赫希和其他人發(fā)出警告，高壓下的研究結果并未實際展現(xiàn)超導體的一項關鍵特征：對磁場的排斥。目前尚未有人想明白如何在金剛石壓砧內(nèi)測量邁斯納效應?！耙呀?jīng)有人做過實驗，用聰明的方法來顯示內(nèi)部的磁場降低了?！奔又荽髮W伯克利分校的一位理論物理學家馬文·科恩（Marvin Cohen）說道。但那個發(fā)現(xiàn)對于該領域的許多物理學家來說還沒有說服力?！拔沂抢吓傻娜?，”休斯頓大學德州超導中心首位主任朱經(jīng)武（Paul Chu）說道，他也是銅酸鹽超導性論戰(zhàn)的老手，“我一直想要親眼見下邁斯納效應，我尚未見識過?！?/p>

赫希說，另一個問題是電阻數(shù)據(jù)。當外部磁場施加到超導體上，超導轉(zhuǎn)變溫度一般會下降，磁場越強，下降幅度越大。在溫度相對電阻的曲線圖中，隨著外部磁場增強，通常顯示出超導轉(zhuǎn)變溫度時電阻下降的那條曲線變得水平。超導轉(zhuǎn)變溫度越高，超導體顯示出的曲線越平。氫化物是一種超導轉(zhuǎn)變溫度最高的超導體，“但在氫化物中見不到這個現(xiàn)象”，赫希說，“要么這是非標準的超導體，要么這根本不屬于超導體?！?/p>

埃雷梅茨的團隊發(fā)現(xiàn)了多種氫化物超導體。他說赫希弄錯了，至少是在埃雷梅茨研究的氫化物方面。他的研究團隊于2019年《自然-通訊》發(fā)表的關于氫硫化物超導體的論文中有一張圖，顯示超導轉(zhuǎn)變溫度隨著外部磁場增強而下降，意味著電阻如對超導體的預期一樣變平?！昂唵蝸碚f，他遺漏了這張圖?！卑＠酌反恼f。

迪亞斯補充說，在一些氫化物中，電阻方面的表現(xiàn)也許不如預期，因為金剛石壓砧中的微小樣品也許純度極高。其他超導體的電阻曲線隨著外部磁場增強而變平實際上是雜質(zhì)帶來的結果，雜質(zhì)可能影響材料的性質(zhì)。高純凈的超導體（例如經(jīng)典超導體二硼化鎂）顯示出電阻的驟降?！拔覀兊慕Y果符合二硼化鎂的情況。”迪亞斯說。

然而，赫希對于迪亞斯的CSH材料有另一項擔心：它的磁化率——對材料處在一個外加磁場中磁化程度的度量值——表現(xiàn)得和其他超導體不一樣。為了測試磁化率，科研人員在潛在的超導體冷卻的同時，對其施加磁場。在標準的超導體中，材料冷卻到超導轉(zhuǎn)變溫度以下時，磁化率下降，隨著溫度繼續(xù)下降，磁化率一直保持低狀態(tài)。然而，迪亞斯報告CSH材料冷卻到超導轉(zhuǎn)變溫度以下時，磁化率先是下降，但隨著冷卻的繼續(xù)，磁化率會再度上升?！俺瑢w沒有那種表現(xiàn)?！焙障？偨Y說，要么是數(shù)據(jù)錯了，要么材料不具備超導性。他之前請求論文作者、《自然》編輯和資助該項研究的美國國家科學基金會提供原始數(shù)據(jù)，但到目前為止尚未拿到數(shù)據(jù)。“這讓我十分沮喪。”赫希說。

迪亞斯說，他的團隊正在提交專利申請書，所以律師叫他暫時不要公開數(shù)據(jù)。他補充說，超導轉(zhuǎn)變溫度以下磁化率的明顯上升是人為現(xiàn)象。那種上升在高壓試驗中并非不尋常現(xiàn)象，因為高壓產(chǎn)生的背景信號能壓過實驗信號。

迪亞斯和其他研究者承認批評方的一個觀點：至今為止，在金剛石壓砧內(nèi)不可能顯示出邁斯納效應。然而，研究人員表示，一種被稱為交流磁化率的測量技術也達到了同樣的效果。這項技術是在樣品旁邊用微小的磁線圈生成振蕩磁場，再觀察材料中任何感應電壓變化。隨著超導體被冷卻到低于超導轉(zhuǎn)變溫度，感應電壓一般會顯示出下降。氫化物有一樣的表現(xiàn)?！拔覀兛吹降乃凶C據(jù)都符合BCS模型。”迪亞斯說。

斯蒂文·路易確信氫化物會通過檢驗，符合對超導體的要求，并指出多個團隊報告了硫氫化物（三氫化硫）、鑭氫化物和釔氫化物擁有超導性的證據(jù)。伊娃·楚雷克（Eva Zurek）是紐約州立大學水牛城分校的理論化學家，她說：“對我來說，那很有說服力。”

物理學家蘭加·迪亞斯用裝于盒子中的金剛石壓砧來尋找新的超導體。然而，他的目標是一種能在壓砧外繼續(xù)存在的室溫超導體

然而，就算其他氫化物實驗者猶豫地認可迪亞斯的室溫超導體，但這依然是一次性的結果?！斑^去6個月里，我們一直在試圖復制實驗，但到現(xiàn)在為止我們尚未見到成果?！卑＠酌反恼f。大阪大學物理學家清水克哉（Katsuya Shimizu）曾制造出三氫化硫，對此也很慎重，說：“在我重復實驗結果之前，我不會相信?！钡蟻喫挂蟠蠹矣悬c耐心。“解決這個問題需要時間，”他說，“我們花費了幾年時間來做出結果。不能指望其他人用數(shù)周時間就做出來?！?/p>

“假若CSH結果確實屬實，那就產(chǎn)生一個重要問題：可否達到常壓？”迪亞斯問道，“這是我們目前在推動的研究?！?/p>

第一個任務會是尋找其他在室溫下展現(xiàn)超導性的氫化物。在普通超導體中，超導轉(zhuǎn)變溫度依賴于兩個主要因素。第一個因素是材料中沒有緊緊圍繞個別原子，而是自由傳導的電子豐度。一般來說，傳導的電子越多越好。第二個因素是晶格中原子的振蕩得有多快——晶格振動本質(zhì)上將一對對電子連接起來，越快越好。氫是最輕的原子，振蕩得最快，但氫原子晶格并非十分剛硬，很容易裂解。于是科學家不得不施加外部壓力來避免氫原子飛散。

為了提高超導轉(zhuǎn)變溫度和降低外部壓力，科研人員需要一些化學配方，要么是給氫原子晶格添加一些電子，要么是將氫原子關入剛度更高的晶格中。研究者已經(jīng)報告用這兩種策略取得成功，產(chǎn)生兩類擁有截然不同的三維結構的氫化物。第一類氫化物包括由氫原子構成的重復籠狀結構，每個籠子里有一個富含電子的金屬原子，譬如鑭或者釔。第二類氫化物添加輕質(zhì)元素，目標是直接與氫原子連接，創(chuàng)造出連鎖原子的連續(xù)網(wǎng)絡。

迪亞斯和同事們，包括羅切斯特大學的理論物理學家胡素興（Suxing Hu）在內(nèi)，他們相信CSH材料形成這樣一個連鎖網(wǎng)格。在5月13日發(fā)布的預印本中，包括伊利諾伊大學芝加哥分校化學家拉塞爾·赫姆利（Russell Hemley）在內(nèi)的研究人員用X光照射一份迪亞斯團隊在金剛石壓砧內(nèi)制造出的CSH樣品。在至少178 Gpa壓力下，當鉆石破裂時，赫姆利團隊看見了常規(guī)的硫原子結晶形態(tài)的證據(jù)。胡素興和同事們接著利用赫姆利的數(shù)據(jù)來為CSH作結構建模。團隊發(fā)現(xiàn)，CSH最可能采用與三氫化硫相同的立方結構，三氫化硫的超導轉(zhuǎn)變溫度比CSH材料低了80 K。因為比起硫原子或氫原子，碳原子傾向與毗鄰原子建立更強的連接，所以碳原子也許是在室溫下讓晶格合在一起的原因。

為了進一步降低壓力，胡素興、迪亞斯和其他研究人員提出添加更多的碳或者硼元素。事實上，博埃里與同事們在7月15日《物理評論》上發(fā)表了一篇論文，預測氫硼化鑭（LaBH8）能在50 GPa壓力下在126 K溫度下顯示超導性。其他專家早已預測，諸如鈣氫化物或錒氫化物之類的氫化物應該能在一個比CSH材料所需壓力小不少的壓力下，在接近室溫的溫度下顯示超導性。然而，博埃里仍然說：“我不確定我們能否達到常壓?！?/p>

迪亞斯的看法更加樂觀。今年3月的美國物理學會會議上，迪亞斯說他掌握初步證據(jù)，一種室溫下的氫化物超導體在最低為20 GPa的壓力下保持穩(wěn)定，這個壓力不足CSH材料所需壓力的1/10。但因為他和團隊正在為那個發(fā)現(xiàn)申請專利和收集更多數(shù)據(jù)，他不愿意透露那種材料是什么。他預測：“假如該結論站得住腳，它會是向前邁出的重要一步。我想我們很快就會實現(xiàn)目標?！?/p>

迪亞斯對此寄予厚望。他最近成立一家名叫異世材料的公司，假如發(fā)現(xiàn)任何在接近常壓條件下見效的超導體的話，就由這家公司來制造氫化物超導體，并將之商品化。如果科研人員能進一步降低壓力到10 GPa以下，那么他們就能拋棄金剛石壓砧。那時就會開啟制造出更大的氫化物樣品的大門，允許科研團隊在無法獲取金剛石壓砧的情況下進入這場爭論，也讓直接探測邁斯納效應成為可能，懷疑論者們依然在等待看到這個代表超導性的信號。

始于碎鉆石的熱潮可能演變成淘金熱。

資料來源 Science