最近，物理界發(fā)生了一件震驚眾人的大事。聞聽此言，吃瓜群眾連手中的瓜都驚掉了。為什么這件事情引起如此大的關(guān)注呢？這要從超導(dǎo)體的應(yīng)用說起。所以電阻會(huì)消失的對(duì)嗎？超導(dǎo)體：是的。

根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性能，可以將其分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在導(dǎo)體中，存在大量可以自由移動(dòng)的帶電粒子，他們可以在外電場的作用下自由移動(dòng)，形成電流。

導(dǎo)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(dòng)。

半導(dǎo)體則介于二者之間。

自由如導(dǎo)體，電子在運(yùn)動(dòng)的過程中也會(huì)受到原子的散射，產(chǎn)生電阻。

當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，一些物質(zhì)會(huì)進(jìn)入一種奇妙的狀態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。此時(shí)電阻消失了，電子在其中無阻礙地運(yùn)動(dòng)。這個(gè)溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

這個(gè)特性使得超導(dǎo)在應(yīng)用方面大有作為：沒有電阻就不會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，因此可以應(yīng)用于大規(guī)模集成電路，建設(shè)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)；能夠承載較大電流而不會(huì)有電流損耗，可以制作高壓輸電線、超導(dǎo)電機(jī)等。

超導(dǎo)電機(jī)|圖片來源

除此之外，超導(dǎo)體還有兩個(gè)特征：完全抗磁性和約瑟夫森效應(yīng)。

普通導(dǎo)體處于磁場中時(shí)，其體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場。而處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)，無論外磁場如何變化，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零。

我們熟悉的磁懸浮列車就利用了這個(gè)特性。超導(dǎo)線圈可以承載很大的電流，形成強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體。列車和軌道上分別裝備有超導(dǎo)磁體。當(dāng)存在外磁場時(shí)，由于完全抗磁性，超導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)部的總磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。由此產(chǎn)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(yùn)動(dòng)。

超導(dǎo)電力懸浮系統(tǒng)|圖片來源

約瑟夫森效應(yīng)是指兩個(gè)超導(dǎo)體間隔很近，中間可以視為絕緣層，當(dāng)距離近至原子尺度時(shí)，超導(dǎo)體中的電子對(duì)就可以越過絕緣層，產(chǎn)生超導(dǎo)電流。利用約瑟夫森效應(yīng)可以制作超導(dǎo)量子干涉儀，用于測(cè)量非常微小的磁信號(hào)。

既然處于超導(dǎo)態(tài)的材料有這么多用途，為何沒有廣泛應(yīng)用于生活中呢？

因?yàn)橹挥性谔囟囟戎?，材料才?huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。這個(gè)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(dá)到，阻止了超導(dǎo)材料的大規(guī)模應(yīng)用。

所以大家應(yīng)該明白，為什么室溫超導(dǎo)能讓那么多人心中振奮了吧！

高壓室溫超導(dǎo)是如何實(shí)現(xiàn)的？

回到這個(gè)舉世矚目的成果。本次出現(xiàn)高溫超導(dǎo)的材料為碳（C）、氫（H）和硫（S）的化合物，其電阻隨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(guī)超導(dǎo)體。

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

BCS理論認(rèn)為，超導(dǎo)態(tài)物質(zhì)之所以有完全導(dǎo)電性，是因?yàn)榈蜏叵?，電子中自旋、?dòng)量都相反的可以兩兩結(jié)合成對(duì)，稱為Cooper（庫珀）對(duì)。Cooper對(duì)在晶格中的運(yùn)動(dòng)是無損耗的。

那么，有讀者可能會(huì)提出疑問了。電子和電子之間明明同性相斥，怎么能結(jié)合成對(duì)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(dòng)傳遞相互作用的：帶負(fù)電的電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)附近帶正電的晶格粒子產(chǎn)生吸引作用，而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子，會(huì)異性相吸吸引來其他帶負(fù)電的電子。

怎么才能使電子更容易形成Cooper對(duì)呢？當(dāng)然是一個(gè)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(diǎn)為14K（約-259℃），而且低溫并不超導(dǎo)。科學(xué)家們預(yù)測(cè)，在高壓下，固體氫會(huì)由絕緣態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài)。由于H原子很輕，因此金屬氫形成Cooper對(duì)的溫度，即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也應(yīng)該很高，更可能接近室溫，但所需的高壓也非常高——高到現(xiàn)有的設(shè)備難以滿足。而一些含H的化合物，則可以在目前技術(shù)水平可達(dá)到的高壓下，在室溫形成超導(dǎo)體。如2019年，德國馬普所研究的氫化鑭（LaH10）就可以在170GPa（170萬個(gè)大氣壓）的高壓下，實(shí)現(xiàn)250K（約-23℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。而本次使用的C、H、S化合物則取得了進(jìn)一步突破，在267GPa（267萬個(gè)大氣壓）的高壓下，實(shí)現(xiàn)288K（約15℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。值得一提的是，此前我國科學(xué)家（吉林大學(xué)崔田、馬琰銘團(tuán)隊(duì)）也曾經(jīng)理論預(yù)測(cè)過本材料的高溫超導(dǎo)電性。

雖然解決了溫度這一難題，但又出現(xiàn)了高壓這個(gè)難題，此次的室溫超導(dǎo)是在267GPa的高壓下達(dá)成的，這是什么概念呢？地球地心處的壓力約為300GPa，267GPa已經(jīng)十分接近地心壓力了。這么高的壓力，全世界也只有很少的實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到。

那么，這項(xiàng)研究是不是沒什么實(shí)際意義呢？非也！這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以給我們帶來的啟發(fā)非常非常多：啟發(fā)我們思考常規(guī)超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體的關(guān)系、超導(dǎo)電子配對(duì)的機(jī)制、未來尋找新材料的方向、應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的新領(lǐng)域等等。而且，它還給我們描述了一個(gè)美好的未來，一個(gè)超導(dǎo)機(jī)理的謎團(tuán)解開，真理現(xiàn)于世間的未來；一個(gè)常壓室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)、超導(dǎo)技術(shù)大范圍造福于民的未來。畢竟夢(mèng)想還是要有的，萬一真的實(shí)現(xiàn)了呢？