超導體是一種能夠在零電阻下傳導電流的材料，它有著許多夢幻般的應用，比如無損耗的輸電線、懸浮的高速列車和廉價的醫療成像設備。然而，目前已知的超導體都需要在極低的溫度或極高的壓力下才能工作，這大大限制了它們在實際中的使用。
超導性的一個標志是邁斯納效應，它從材料中排除所有磁場——一種允許超導體懸浮的特性，如圖所示。
近日，在《自然》雜志上發表了一篇論文聲稱發現了一種在室溫和接近室溫壓力下工作的超導體。這項研究由羅切斯特大學的印度裔物理學家Ranga Dias領導，他和他的團隊合成了一種由氫、氮和稀土金屬镥組成的固態化合物，并將其置于兩個鉆石砧之間施加壓力。他們通過測量該化合物在不同溫度和壓力下的電阻率和磁化率來判斷其是否具有超導性。
電阻率是指材料對電流流動產生阻礙程度；磁化率是指材料對外部磁場產生反應程度。超導體具有零電阻率和完全排斥外部磁場（即邁斯納效應）的特征。
Dias等人報告說，在約1千兆帕（GPa）左右（相當于海洋最深處壓力約10倍）的壓力下，該化合物表現出了零電阻率，并且隨著溫度升高而不變；同時，在約2.5 GPa左右 的壓力下，該化合物表現出了負磁化率，并且隨著溫度升高而增大。這些結果表明該化合物在21攝氏度（69.8華氏度）左右就能實現超導性，并且比以往類似材料所需求得壓力低了100倍以上。
圖為羅切斯特大學物理學家Ranga Dias
如果這項發現被證實為正確，那麼它將是超導領域百年來最重大、最突破性、最令人興奮的發現。
佛羅里達大學物理學家James Hamlin說：「這可能是超導歷史上最大的突破，也是最令人興奮的發現。」
然而，這項發現也遭到了一些科學家的質疑和懷疑，因為Dias及其團隊之前曾經發表過一篇聲稱在室溫下實現超導性的論文，但後來因為數據處理方法不合規而被撤回。該論文聲稱使用了一種由氫、碳和硫組成的化合物，并在兩個鉆石砧之間施加了極高的壓力（約267 GPa）。該論文引起了廣泛的爭議和批評，甚至有人指控Dias及其團隊存在造假行為。加州大學圣地亞哥分校物理學家Jorge Hirsch 說：「這是一個真正的問題。你不能把它當作‘哦，這只是意見不同’。」
稀土金屬镥在新研究中被轉化為室溫超導體
然而Dias本人否認了任何不端行為，并表示他已經修改了原來的論文，以解決批評者提出的問題，并重新提交給《自然》雜志進行審稿。
他還表示他愿意公開他的實驗方法和數據，并邀請其他研究者來他的實驗室檢查他們如何進行測量。
盡管如此，許多專家仍然對Dias等人最新報告的結果持謹慎態度，認為需要更多的證據和驗證來支持他們的觀察。卡內基梅隆大學機械工程副教授Venkat Viswanathan1 說：「我認為這個結果非常有趣，但我也認為我們需要更多獨立重復實驗來確認它。」
除了可靠性問題外，另一個挑戰是理解該化合物如何在室溫下實現超導性。超導性是由電子形成配對并避免碰撞而產生的一種量子態。在某些材料中，晶格振動可以促進電子配對，因為正離子在晶格中移動時會吸引電子。含有氫元素的材料特別適合這種配對機制，因為氫是最輕元素，具有最高振動頻率。根據理論 ，這種高頻率應該提高材料超導轉變溫度。
1968年，物理學家Neil Ashcroft預測純氫可以在室溫下超導 。但是純氫只有在H_2 分子被分解并施加約500 GPa（相當于海平面壓力約500萬倍）左右壓力時才能變成金屬 。這種壓力非常難以用目前實驗技術達到。Ashcroft後來建議含有氫元素豐富化合物可以比純氫以更低壓力實現超導性，因為其他元素會引起化學壓縮效應 。事實上，在過去幾年中已經觀察到幾種多氫化合物在200 K以上轉變成超導態（相對于室溫低了93 K）。這些化合物包括硫化氫 、稀土氫化物 、堿土金屬氫化物等。但所需的壓力仍然很高，通常是數百GPa。
除了晶格振動外，還有其他一些物理過程可以導致超導性，稱為非常規超導性 。這些過程涉及到電子與其他電子或晶格中的缺陷相互作用，形成不同于普通庫珀對的配對方式。非常規超導性在某些銅氧化物和鐵基化合物中被觀察到，它們也被認為是高溫超導體，因為它們的超導轉變溫度高于傳統超導體。然而，非常規超導性的機制仍然不清楚，并且與晶格振動機制之間的關系也不明確。
Dias等人使用的化合物屬于稀土氫化物類別，但與以往研究過的稀土氫化物有所不同。首先，他們在镥元素中摻入了少量的氮元素（約1%），以增加材料中可移動電荷載體（即自由電子）的數量。其次，他們使用了一種新穎的合成方法，在鉆石砧之間放置了一個多層結構：一個镥片夾在兩個氮化硼片之間，再夾在兩個硫片之間。當施加壓力時，這種結構可以促進镥和硫之間以及镥和氮之間形成新型固態雜質。
Dias等人認為該材料中存在兩種類型的庫珀對：一種是由晶格振動引起的傳統庫珀對；另一種是由電子-電子相互作用引起的非常規庫珀對。他們認為這兩種類型的庫珀對相互作用，形成了一種新的超導態，可以在室溫下穩定存在。
庫珀對
然而，這種機制還沒有得到理論上或實驗上的證實。一些專家認為該化合物中可能沒有真正的超導性，而只是出現了一種類似于超導性的電阻率驟降現象。這可能是由于材料中存在缺陷、雜質或其他因素造成的假象。例如，美國國家標準與技術研究所物理學家Jeffrey Lynn指出，該化合物在測量磁化率時表現出了不尋常的行為，與邁斯納效應不符。他說：「我認為他們沒有看到真正的超導性。」
盡管存在爭議和困難，但Dias等人仍然對他們的發現充滿信心，并希望能夠進一步改進該化合物以降低所需壓力，并探索其潛在應用。他們說：「我們相信我們已經找到了一個可以在室溫下實現超導性的平台。」
如果能夠制造出在室溫和常壓下工作的超導體，那麼將會開啟一個新時代，許多科學和技術領域都將受益。例如，超導體可以用于制造無損耗的輸電線、高效率的電動機、懸浮式高速列車、低成本的醫療成像設備、強大的量子計算機等等。
這些應用都將有助于提高人類社會生活質量和節約能源資源。
量子計算機
但要實現這些愿景，還需要克服許多挑戰和障礙。首先，需要驗證Dias團隊報告的結果，排除其他可能的誤差或偽效應。其次，需要探索該化合物的超導機制，理解其與其他高溫超導體之間的相似性和差異性。第三，需要開發出更有效的合成和加工方法，以便將該化合物制成實用的形狀和尺寸。第四，需要評估該化合物在不同環境條件下的穩定性和可靠性，以及其對人類健康和環境安全的影響。
但不管怎樣，Dias等人報告了一種在室溫和接近室溫壓力下工作的超導體，這是一個具有重大意義和潛在影響的發現。雖然這項發現也存在著一些爭議和不確定性，需要更多的驗證和研究來確認其真實性和可行性。
但如果能夠克服這些挑戰，并將該化合物應用于各種領域，那麼它將為人類社會帶來巨大的福祉。
