《Nature》带你见识超导体中的“扫地僧”——硫化氢

超导体拥有很多特殊的电磁物理性质，在很多重要的工业应用中被寄予厚望。然而，超导体通常需要的低温条件使其作用大受限制，因此自从荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes在1911年发现转变温度为4.15K的超导体后，各国科学家都在努力寻找具有更高转变温度的超导材料。有些读者可能还记得八十年代超导体材料研究的火热场面：在1986年到1987年短短一年多的时间里，超导体转变温度的纪录一下子提高了近100K。其中华人科学家朱经武、吴茂昆以及赵忠贤的研究团队曾将超导体转变温度纪录提高到90K以上，突破了液氮的“温度壁垒”（77K），从而可以使用便宜易制的液氮来达到超导体的低温要求。至1995年，超导体的转变温度记录达到了160K左右。

超导体磁悬浮。Credit：MAI-LINH DOAN/WIKIMEDIA/CREATIVE COMMONS

如果把这场提高超导体转变温度的竞赛比作一场“武林大会”的话，在各门各派的顶尖高手悉数出场亮相后，一个出乎意料、其貌不扬（甚至有点丑）但武功高深的“扫地僧”在2015年出现了：这就是化学家们都非常熟悉的“臭哄哄”的硫化氢！

德国马普实验室的物理学家Alexander Drozdov和Mikhail Eremets以及其他科学家，最近在《Nature》上发表了最新的实验数据，表明硫化氢在超高压条件（1亿个大气压以上）可以在203.5K（-70℃）的温度下达到零电阻，而且具有超导体另一个重要的磁悬浮特性。虽然这个新纪录离水的冰点还有70度的距离，但它相对于之前160K左右的纪录，可说是一个飞跃。

在常规超导体中，当一些金属如铌冷却到接近绝对零度时，其电阻为零。在金属结构中，带正电的离子排成笼状阵列，而带负电荷的电子在其中流动。通常流动的电子会因为被离子偏转而失去能量导致产生电阻。但在非常低的温度时，电子会成对，使偏转电子的能量壁垒更高，这就使电子对可以自由流动，即电阻为零。

但是必须有某种作用使电子成对连在一起。对于常规的超导体，这种胶合作用是通过离子晶格的振动（称为声子）提供。不过声子提供的电子对结合能量有限，这种“传统”超导体的临界温度纪录由二硼化镁保持，为39 K（或-234.5℃）。

在80年代物理学家发现了另一个“高温超导体”家族，含有铜和氧配位化合物可以在高得多的温度下成为超导体，在十年前，一个类似的铁砷化合物超导家族被发现。在这些材料中，电子的相互作用自身就可以提供电子对胶合能量，但物理学家不知道其原因。

一些物理学家仍然希望获得更高的转变温度与传统超导性。早在20世纪60年代，康奈尔大学的理论物理学家Neil Ashcroft，认为在高压力下，固态氢应该成为超导金属。据他预测，轻的氢离子可以产生非常高频率的声子，这是提高转变温度的关键。

Drozdov和Eremets尝试的是另一条道路。去年，他们用高压处理硫化氢的一个小样品，发现其电阻在190 K消失，他们把这个结果在arXiv.org上进行了报告。该纪录已经超越了之前铜和氧超导体（35万倍大气压条件下）164 K的记录。不过一些物理学家对此持怀疑态度。

现在，Drozdov和Eremets的最新结果通过展示超导体的第二个关键特性——磁悬浮来打消这种疑虑。超导体可以排斥周围的磁场，因为自由流动的电子可以产生一个内部磁场抵消外界磁场的作用。新的结果证实了这一点。他们还报告说，超导体的转变温度已经高达203.5 K。

图片来源：www.nature.com

不过这种高转变温度的存在并不神秘。去年十一月，中国理论物理学家已经通过计算发现，加压的硫化氢应该能够达到191-204 K之间的转变温度。“我们很幸运，因为这个模型立刻能够解释我们的结果，”Eremets说。毫无疑问的是，该材料是常规的超导体。当研究人员取代其中的氢原子为较重的氘原子后，其转变温度下降了约20％ ，这与根据声子胶合理论的预期吻合。

虽然这么大的压力（相当于地球核心压力的三分之一）还难以在实际中应用，但是这个新的发现为进一步理解和探寻未来新的超导体提供了崭新的思路。

这再一次表明，观念的改变，往往是突破的前提。

1.http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14964.html

2.http://news.sciencemag.org/chemistry/2015/08/stinky-hydrogen-sulfide-smashes-superconductivity-record