打破33年常壓超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄

自1911年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，超導(dǎo)一直是一個(gè)被廣泛而深入研究的課題。提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一直是這種長(zhǎng)期研究努力背后的主要驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)檫@一目標(biāo)既具有造福人類(lèi)社會(huì)的巨大潛力，也有助于加深我們對(duì)這種在較高溫度下出現(xiàn)的宏觀相干量子態(tài)的理解。

最近，在一項(xiàng)新研究中，研究人員將常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了151開(kāi)爾文（–122攝氏度）。這是自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，在無(wú)需持續(xù)維持高壓情況下所創(chuàng)造的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

長(zhǎng)期的瓶頸

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是指這樣一個(gè)臨界溫度：當(dāng)材料溫度低于它時(shí)，材料就會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，也就是說(shuō)，電流可以在其中無(wú)電阻地流動(dòng)。目前，所有已知超導(dǎo)體都必須冷卻到極低的溫度才能工作，這限制了它們的應(yīng)用性。因此，幾十年來(lái)，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一直是超導(dǎo)研究的主要目標(biāo)。

科學(xué)家已經(jīng)知道，極度的高壓能夠幫助實(shí)現(xiàn)更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，但這也使材料更難研究和使用。例如，一種由鑭和氫組成的化合物，在接近地球大氣壓200萬(wàn)倍的壓力下，最高可在260開(kāi)爾文（–13.15攝氏度）時(shí)表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這是迄今已被確認(rèn)的最高超導(dǎo)溫度。

然而，在常壓條件下，最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄自1993年以來(lái)一直停滯不前。當(dāng)時(shí)，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種名為Hg1223的汞基銅氧化物陶瓷。這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在常壓下達(dá)到了133開(kāi)爾文（–140攝氏度）。

壓力淬火

而直至現(xiàn)在，研究人員的最新研究終于打破了這個(gè)保持了33年的紀(jì)錄，將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度又提高了18度，達(dá)到151開(kāi)爾文。這一進(jìn)展得益于一種名為壓力淬火的技術(shù)——這對(duì)超導(dǎo)體而言是一種新方法，不過(guò)在其他領(lǐng)域，如人造鉆石的制備中，已較為常見(jiàn)。

在這種方法中，研究人員首先對(duì)材料施加強(qiáng)壓力，以增強(qiáng)其超導(dǎo)性能并提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)材料處于受壓狀態(tài)時(shí)，研究人員會(huì)先將其冷卻到特定溫度，然后迅速將壓力完全釋放，從而有效地把增強(qiáng)后的超導(dǎo)性能“鎖定”下來(lái)。借助這種方法，即使在撤去壓力后，仍能保留較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，從而使材料在常規(guī)條件下保持穩(wěn)定。

具體而言，這一過(guò)程包含三個(gè)關(guān)鍵階段。首先，研究人員測(cè)量了Hg1223在不同壓力下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。隨后，他們利用這些觀測(cè)結(jié)果確定了一種理想的“亞穩(wěn)態(tài)”，其特征由一個(gè)初始的、也就是“淬火”壓力來(lái)定義。

接下來(lái)，他們是將Hg1223樣品置于淬火壓力下的金剛石壓砧室中，然后在4.2開(kāi)爾文的淬火溫度下迅速釋放壓力。這種快速減壓確保材料仍被困在其亞穩(wěn)態(tài)中。

最后，研究人員以盡可能小的擾動(dòng)將壓力淬火后的樣品從金剛石壓砧室中取出，并在常壓下利用不同探針在砧外對(duì)其進(jìn)行表征。

壓力淬火方法首先將超導(dǎo)體置于金剛石壓砧室中（左）。通過(guò)記錄電阻突然降向零的溫度來(lái)測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。隨著壓力升高，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也隨之升高（中）。通過(guò)快速釋放壓力，研究人員可以使樣品保持在一種亞穩(wěn)態(tài)，而這種狀態(tài)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于其原始相（右）。（圖/L. Deng/University of Houston）

研究人員在不同淬火壓力下測(cè)試了多個(gè)樣品。所有樣品測(cè)得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都高于其常規(guī)水平，其中最高達(dá)到151開(kāi)爾文。

通向室溫超導(dǎo)的一步

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，常壓室溫超導(dǎo)（約300開(kāi)爾文）一直被科學(xué)家視為一項(xiàng)“圣杯”。雖然這項(xiàng)研究創(chuàng)下的新紀(jì)錄與室溫之間仍然還有大約140攝氏度的差距，但這一新的紀(jì)錄代表著重要的一步。要實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，還需要更廣泛科學(xué)界有組織、有意識(shí)地共同努力，其中不僅包括物理學(xué)家，也包括材料科學(xué)家、化學(xué)家和工程師。

#參考來(lái)源：

https://www.uh.edu/news-events/stories/2026/march/03102026-ambient-pressure-superconductivity-record.php

https://physics.aps.org/articles/v19/37

https://www.sciencenews.org/article/pressure-superconductor-record-break

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536178123

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Anthony Gollab/University of Houston