一提到超导，大家立刻就会想到低温，大部分超导材料的转变（临界）温度都接近绝对零度，需要用液氦冷却，少量被称为“高温”超导的，转变温度也没高过-173度，得用液氮冷却。然而《自然》杂志最新的一篇文章颠覆了这种概念，美国科学家制出了能在15℃室温下实现超导的材料，创造了新的纪录，也刷新了人们的认知。这是否意味着超导可以摆脱复杂沉重的冷却装置，以至于我们平常用的电线也可以用超导体来制造呢？
超导磁悬浮
事情没那么简单，这种含碳硫化氢（C-S-H）晶体材料，只能在极高压力下存在，而要达到室温超导，压力需要再次升高到267万个大气压，这已经相当于木星内部的压力。如此高压，只能采用金刚石顶砧来实现，就是将两块金刚石的尖端硬怼在一起，针尖对麦芒，两边再一挤，由于接触面小，压强可以高达数百万个大气压。为什么在如此极端的条件下才能实现室温超导呢？我是人马座A，科普界的包打听，今天咱们就来聊聊这个登上Nature封面的重大突破。
金刚石顶砧
超导电性是由荷兰科学家昂尼斯(Onnes)在1908年发现的，他实现了当时最先进的低温技术，将氦气液化，得到了仅比绝对零度高几度的低温，并发现金属汞在4.2K（-269℃）下的电阻为0，意味着如果用它来输电，可以实现电能的零损耗。这一发现非同小可，昂尼斯因此在5年后就获得诺贝尔物理学奖，相比之下，2020年诺奖得主彭罗斯要哭晕在厕所，后者出成果30多年后才获奖。
为什么会出现超导现象呢？1957年的BCS理论告诉我们，在极低温度下，电子通过与晶格的相互作用，形成了电子对（库珀对），在电流传导时，库珀对不与晶格产生能量交换，也就没有了电阻，但这也必须在低温下才能实现。根据BCS理论，美国科学家麦克米兰预言超导临界转变温度不会超过-234℃，被称为“麦克米兰极限”。
低温超导
电阻为零实在过于诱人，超导现象一经发现，立刻就得到广泛应用，最大的用途就是可以实现强磁场，例如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、粒子加速器等。谷歌量子计算机使用的约瑟夫森结也是利用了超导。不过极低的使用温度确实限制了超导的普及，于是科学家不断探索具有更高转变温度的超导材料，超导的温度极限一路提高。1987年，我国著名科学家赵忠贤院士用钇钡铜氧中获得了93K（-180℃）的临界温度，突破了BCS理论，使我国在超导领域走到了世界前列，并因此获得国家最高科学技术奖。氧化物超导陶瓷也成为最有希望的新型超导材料。
赵忠贤院士
然而传统的BCS理论并没有被放弃，近年来富氢材料的出现，使传统超导的转变温度又大幅反超了超导陶瓷。
富氢材料顾名思义就是含氢比较多。1968年，Neil Ashcroft指出纯氢在地心、木星内部那样的巨大压力下，会转变了固体金属氢，由于强大的氢键存在，其晶格可在较高温度下传递库珀电子对，超导临界温度可以达到290K，也就是17℃，是一个开着空调就能轻松达到的温度。但为了使氢键不断裂，所需要的压力过于巨大，而且金属氢极难得到，至今在地球上也没有获得公认的制取记录。于是科学家又想到了含氢量高的富氢材料。
木星内部存在金属氢
早在2014年，吉林大学的马琰铭和崔田团队就分别预言了H2S（硫化氢）和H3S（硫化氢与氢的复合物）可在160GPa和200GPa下实现80K和200K左右的超导转变温度。2015年，德国科学家德罗兹罗夫和叶列米特在高压下用硫化氢实现了-70℃的临界温度，并于2019年进一步用氢化镧体系实现了-23℃，压力为170GPa（170万个大气压）。
而这次，美国罗彻斯特大学的Ranga Dias等人，将碳原子引入到H3S硫化氢体系中，他们将甲烷（CH4）、硫化氢和氢混合，充入金刚石顶贴的尖端，并施加4万个大气压的高压，在这之后，用波长为532纳米的绿色激光照射了几个小时，形成了一种C-S-H晶体，在加压至267±10GPa（267万个大气压）后，实现了15℃的超导转变温度最高纪录。
C-S-H晶体的制备
很多人可能会觉得267万个大气压的条件过于苛刻，根本无法实际应用。但这次美国人的成功是一个质变，意义十分重大，毕竟是首次在正常室温下实现了超导，登上了Nature的封面，至于压力条件，可以慢慢去改善。Ranga Dias表示目前这种C-S-H晶体的精确结构实现上还不是很清楚，如果能引入其它元素，有可能实现较低压力下的室温超导。
Nature以此成就作为封面
假如这是真的，未来无论是输电线路，还是家用电器，以及电子器件，将全都成为超导材料的天下。
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