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科学|压力山大更超导｜超导“小时代”( 二 )


科学|压力山大更超导｜超导“小时代”
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图5 基于金刚石对顶压砧的高压测量丨来自英文维基百科
对于大部分铜氧化物高温超导体而言 ， 高压往往有利于提升Tc ， 比如利用高压 ， Hg-1223体系的临界温度可进一步提高到164 K ， 是名副其实的高温超导体 。 于是 ， 在角逐超导临界温度记录的征途上 ， 高压下的物性测量 ， 成为“锦上添花”的好办法 。 对于不超导的材料 ， 压一压 ， 也许超导了 。 对于已经超导的材料 ， 压一压 ， 也许临界温度提高了 。 对于高温超导体 ， 再压一压 ， 或许临界温度就突破纪录了 。 有些科学家甚至坚信：“无论任何材料 ， 只要压力足够到位 ， 它就会超导！”科学家们拿着压力这个工具 ， 几乎扫遍了元素周期表 ， 发现大量在常压下并不超导的非金属元素 ， 在高压下是可以超导的 。 而对于金属元素 ， 高压下则有可能进一步提升Tc ， 其中最高的是Ca 单质 ， 在216 GPa下Tc=29 K (图6) 。
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图6 高压下的单质超导体丨来自www.spring8.or.jp
为什么高压对超导电性能够取得如此惊人的效果？原因有很多 。 大体认为有三点：减小材料体积同时增大了电子浓度、使材料发生了结构相变促进了新超导相的形成、极大增强了有利于超导的某种相互作用 。 在高压下 ， 气体可以压缩成液体 ， 液体进一步压缩成固体 ， 固体再被压缩 ， 就可能转化为金属 。 理论上认为 ， 世界上最轻的元素——氢 ， 在足够高的压力下 ， 就会变成金属氢 。 而且 ， 因为氢原子核本质上就一个质子 ， 一旦形成金属氢 ， 原子热振动的能量是非常巨大的 ， 足以让电子—声子耦合下形成高临界温度的超导体 ， 甚至是室温超导体 。 金属氢 ， 是超导研究者们的梦想之一 。 实现金属氢 ， 并不是一件简单的事情 。 单纯要把气态且极易爆炸的氢气装进金刚石对顶砧里面而不跑掉 ， 就是一个技术挑战 。 实际操作是在低温下装入液态的氢 ， 然后再施加压力 。 液氢沸点在20 K左右 ， 操作起来很有难度 。 实现金属氢的压力也是非常巨大的 ， 理论家最初预言需要100GPa ， 也就是一百万个大气压 ， 后来认为是400 GPa以上 。 但实验物理学家这一试 ， 就80 多年过去了 。 2016 年 ， 英国爱丁堡大学E. Gregoryanz等人在325 GPa 获得了氢的一种“新固态” ， 认为可能是金属氢 。 2017 年 ， 美国哈佛大学的R. Dias和I. F. Silvera 两人宣布金属氢实现 ， 在205 GPa 下的透明氢分子固体 ，到415 GPa变为黑色不透明的半导体氢 ， 最终到495 GPa成为金属性反光的金属氢 (图7) 。 不幸的是 ， 当他们准备测量金属氢是否具有室温超导电性的时候 ， 一个不小心的操作失误 ， 压着金属氢的金刚石对顶砧碎掉了 ， 金属氢也就消失得无影无踪 。 至今 ， 人们仍难以重复实验获得如此高压下的金属氢 ， 而金属氢是否室温超导体 ， 仍然是一个谜！
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图7 高压下的金属氢(来自www.latimes.com)
寻找金属氢室温超导之路充满挑战和坎坷 ， 国际上能够胜任这个实验工作的研究组也寥寥无几 。 科学家转念一想 ， 为啥要死死盯着单质氢呢？如果找氢的化合物 ， 是否也可能实现高压下超导？果不出所料 ， 2014年12月1日 ，德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A. P. Drozdov 和M. I.Eremets 宣布在硫化氢中发现190 K超导零电阻现象 ， 压力为150 GPa 。 这个数值突破了Hg-1223 保持多年的164 K 记录 ， 却没有引起超导学界的振奋——他们早已被频频出现的USO室温超导乌龙事件闹得疲乏不堪 ， 对破纪录的事情第一反应就是质疑 。 甚至在Eremets 等人的多次学术报告中 ， 会场提问都几乎没有 ， 很多人持观望和怀疑态度 。 历经8 个多月 ， 在不断质疑、调查、重复实验、积累更多数据的痛苦折磨下 ， 论文终


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