颠覆物理界，室温常压下也存在超导材料？

最近，印度科学界正处于一个非同寻常的时期:如果一篇新论文通过了《自然》杂志的审查，印度将迎来继拉曼效应之后又一项世界闻名的科学贡献。

7月23日，一篇论文出现在该论文的初稿网站arXiv上，标题被翻译成“室温和大气压下超导体存在的证据”。作者是印度科学院固体物理和结构化学系的安舒·潘迪教授和他的博士生德夫·库马尔。他们在论文中声称，在室温和常压下，一种由金和银组成的纳米复合材料表现出超导特性。

室温超导一直是学术界的热门话题。这种奇特的属性在科幻小说和现实之间摇摆了好几次，是无法触及的。许多物理学家愿意一生寻找室温超导的答案。近几十年来，关于“室温超导”的论文层出不穷，每次都在学术界引起了相当大的讨论。讨论结束时，尘埃落定，每个人都失败了。

图1安舒潘迪(来源:印度科学院，官方网站)

论文发表后，印度凝聚态物理领域的理论物理专家无法掩饰他们的兴奋。毕竟，这可能会给印度带来另一个诺贝尔物理学奖。最后一个获得诺贝尔物理学奖的印度人是著名的物理学家钱德拉塞卡拉·拉赫曼，他因著名的拉曼效应于1930年获得诺贝尔物理学奖。

理论物理学家维贾伊·谢诺伊在一份报告中支持这个实验:“这是超导的。如果实验是真的，这种神奇材料背后的原理肯定会是一种新的超导理论。”

另一位印度超导权威——罗摩克里希南告诉媒体:“我认为这个实验是真实的。显然，电阻和磁化率的数据满足超导性的要求，并且它们是一致的。至于背后的原则，这当然是重要的，但也可以在以后探索。到目前为止，人们仍在争论超导的原理。”谢诺伊补充道:“几乎所有凝聚态物质领域的重要理论都晚于实验结果。”

然而，鉴于这项研究的意义，文章发表后也引起了学术界的激烈讨论，包括对室温超导性的质疑。一些实验物理学家认为，这项研究不能作为发现室温超导性的直接证据，而只是指出了一种可能性。

麻省理工学院的一些学者还指出，论文中的两组独立关键数据具有完全相同的随机测量误差。在科学界，这就像两张中奖号码完全相同的连续彩票。

照片|漂浮在超导体上的磁铁(来源:维基共享)

金和银混合纳米粒子

让我们从超导开始。

每种材料都有电阻。金属是良导体，因为它们的电阻小，所以它们被制成传导电流的装置，如铜电缆。然而，高压电缆仍然会有严重的热损失，由超导*成的电缆可以完美地解决这个问题。

超导体，顾名思义，是一种零电阻的超级导体。除了电阻迅速降低到零，超导材料还会有一个显著的现象:完全抗磁性，即磁感应线不能通过超导体，因为超导体排斥所有的外部磁场(在小磁场条件下)，从而使其内部磁场为零。当磁体被放置在超导体上时，它会在外力的作用下以零电阻漂浮和移动。这种现象也被称为迈斯纳效应。对于理想的超导体，测量物体磁化程度的体磁化率是-1。

从理论上讲，超导体是各种电气设备的理想材料。超导*成的电缆可以在零热量的情况下传输非常高的电流，超导磁悬浮列车可以在零电阻的情况下运行。这是人们渴望的生活前景吗？

不幸的是，尽管在过去的一个世纪里已经发现了许多超导体，从简单的物质到复杂的物质，到复杂的化合物，甚至是奇异的物质，但我们仍然没有办法实现这些对生命的美好憧憬。因为所有这些超导体都是低温超导体，这种低温不是你冰箱的冷冻室，也不是站在南极冰上的短裤，而是接近绝对零度(-273℃)的低温，在这个温度下几乎所有的气体都是液体。

照片|实验中使用的电极有一个暗灰色区域，上面有一薄层金银混合物。纸张厚度为100纳米，黑条长度为3毫米(来源:本文)。那么，潘迪的团队在什么实验中发现了室温超导性？

实验简单明了。他们将直径为1纳米的银颗粒嵌入金网格，并将混合物制成直径为10-20纳米的颗粒。值得注意的是，该论文只提到制造这种混合物的方法称为化学烧结法，而没有详细描述详细的过程。这些纳米粒子然后被制成薄片，附着在电极上，以便于测量它们的电阻。

随着温度的降低，电阻起初变化不大，但当温度降至230-240千欧时，电阻突然从0.7欧姆下降到100毫欧姆。报告称，由于仪器精度的限制，他们推测实际测量值可能更低。这意味着每单位长度的电阻将小于0.1纳米欧姆，比普通的金和银低两个数量级。潘迪估计临界温度在236K(-37.15℃)左右。临界温度随着外加磁场的增加而降低，这也符合超导体的特性。

图|电磁特性随温度的变化。左边是阻力，右边是体积敏感性。(来源:本文)

在抗磁性方面，潘迪测量了体磁化率随温度的变化。发现它在临界温度附近从零下降到-0.06。这个值远非理想超导体的-1，但是研究人员给出了纯度不够的原因。相当于6%的材料面积是超导的。

“这个实验做得干净利落，令人信服，”数学科学研究所的甘纳帕提·阿斯卡兰教授说。"对于粒状超导性，10%的超导性已经不低了."

关于物理学“圣杯”的争论:夸张？数据异常？

到目前为止，236K的临界温度离室温还有一段距离。潘迪在他的论文中只提出了一种达到室温的可能性:降低材料中黄金的比例。在另一项研究中，他们声称，当温度降至320 K (46.85 C)时，含金量较少的样品的电阻下降了三个数量级。这个温度已经高于赤道上许多地方的温度。样品的体磁化率为-0.037，属于完全抗磁性。

然而，许多实验物理学家指出，这些证据最多只能指出室温超导的可能性，不能作为发现室温超导的直接证据。

回到这项研究，关于为什么选择金和银作为材料，潘迪只在论文中说:“为了找到一个非声子模型，我们只把注意力转向由金和银制成的纳米结构。”面对更多的问题，潘迪选择保持沉默。许多理论物理学家对他的回答采取了宽容的态度:“他们使用这种材料肯定有自己的理由。我相信，在这篇论文被接受并发表后，他们肯定会披露更多的细节，”谢诺伊说。

罗摩克里希南已经开始动员印度科学家在潘迪的实验中研究金和银纳米结构。“我们还需要化学家的参与，因为他们更了解如何制备这种纳米材料，而论文的作者没有提供有用的细节。另一方面，物理学家必须研究这种结构的其他电磁和光学特性。我确信世界上有几个研究小组已经开始了他们的研究。”

然而，在理论物理学家的支持下，潘迪真正的同事，实验物理学家，显得更加严谨。一位不愿透露姓名的超导实验物理学家指出，实验数据不完整。“论文的题目是室温超导，而数据只支持236K超导。但这更像是一项未完成的任务，除非他们向大自然提交更完整的数据。”实验所能达到的测量精度使他更能矫正自己的心脏。测量精度优选为1毫欧(1e-3欧姆)，这意味着电压降精度为1纳伏(1e-9伏)。磁化率数据也需要更加准确。”

他还指出，该实验缺少一个关键数据——现场冷却数据。当实验者首先打开测量磁场，然后冷却样品时，获得了这些数据。这些数据可以帮助计算超导区域的精确比例，从而验证与磁化率的互相关。

此外，有人质疑研究中的数据。8月10日，麻省理工学院的布莱恩·斯金纳博士的一篇文章质疑了这些数据。这篇文章已经在arxiv预印的网站上提交。

布莱恩·斯金纳指出，研究中的两组数据非常奇怪。下图是两组数据的放大视图。该图描述了样品磁化率随温度的变化函数，这是超导研究的关键数据。可以看出，图中蓝色和绿色部分的数据形成完全相同的形状，但是只有位置向下移动。

图|最初研究的超导功能图放大图(来源:ArXiv)

布莱恩·斯金纳博士说，“数据的这一特征在我的认知中是前所未有的，没有明显的理论来解释它。”

就标题而言，今天的报纸注定不是普通的报纸。然而，出版半个多月后，学术界出现了两种截然不同的声音。这是另一场“狼来了”的表演吗，还是有什么东*在里面？

我的旅程漫长而曲折

事实上，超导首次被发现是在一个世纪以前。

像许多科学现象一样，超导性是在技术不断改进和升级的过程中偶然发现的。20世纪初，欧洲的机械工业化发展到相当高的水平。当时，全世界的实验室都试图液化沸点很低的氦。1911年，莱顿大学的赫·卡姆灵汉尼斯成功地将氦液化至4.2k(-269℃)，这为他在极低的温度下研究物质的性质提供了便利。也是在这个时候，他意外地发现了水银的超导现象。两年后，这一发现为他赢得了诺贝尔物理学奖，也引发了科学家探索超导体的热潮。

图|卡莫拉内西(右)和他的实验室技术员加勒特·汉弗莱(左)在1911年世界上第一个氦液化器附近。

20世纪80年代以前，超导研究仍然集中在单元素金属和多元合金上。这些金属或金属合金的超导体通常称为常规超导体，这些材料包括汞、铝、铅和其他金属合金，如铌锡、铌钛和铌锗合金。它们的临界温度Tc(即导体转变为超导体的温度)低于20K，这与液态氢的沸点相似。

当时，超导转变温度太低，需要昂贵的液氦设备。科学家试图探索提高超导临界温度的方法。然而，历史的发展总是一样的。在里程碑事件发生之前，人类的想象力总是有限的。金属超导性似乎没有满足人们对高温超导性的期望。

图|超导体转变温度和发现时间之间的关系(来源:本文)

这一里程碑事件发生在1986年。

IBM苏黎士研究所的德国科学家乔治·贝德诺兹和缪勒长期以来一直在研究陶瓷材料。今年年底，他们发现钡镧铜氧化物(巴拉库奥或LBCO)在33K以下表现出超导性。

目前，临界温度并不比它的金属前身高多少，但在当时已经很高，突破了液态氢的沸点。从那时起，它可以用更便宜更方便的液氮冷却。第二年，这两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。这是少数获得新发现的诺贝尔奖之一。这表明了高温超导的重要性。

这是一个伟大的发现，它开启了高温超导体的井喷时代。在接下来的十年里，新的铜氧化物在高温下表现出超导性，临界温度从33K一直上升到98K (YBaCuO)。1993年，汞钡钙铜氧系统(汞钡铜氧系统)的临界温度达到最高138千欧(大气压)，在高压(300，000个大气压)下甚至达到164千欧。迄今最高纪录是2015年的20.3万英镑。值得注意的是，这个记录保持者不是一个铜氧系统，而是一个高压下的锍氢系统。

尽管203K(-70℃)比南极的温度低一点，但它极大地激发了人们的想象力。南极已经到达。赤道还很远吗？我们能在这些高温超导材料中找到一些室温超导的线索吗？

超导本质上是一种量子现象。1957年，巴丁、库珀和施里弗提出了著名的BCS理论，为这一现象提供了很好的解释。晶体的晶格振动通常以声子的形式出现。电子和声子之间的相互作用可以产生一种吸引互斥电子的“胶水”。这些电子对被称为库珀对。当材料的温度降到临界温度以下时，所有的电子库珀对都处于有序的相干基态，它们像液体一样一起穿过导体，不再随晶格散射。从宏观角度来看，电子在导体中传输没有障碍。临界温度的存在是由于高温下晶格振动对铜的损伤。这三个人因为他们的理论获得了1972年诺贝尔物理学奖。

图BCS理论的创始人”-巴丁&库珀&施里弗

基于BCS理论，美国科学家麦克米伦认为超导临界温度不可能超过39K(-234℃)，这也被称为“麦克米伦极限”。这个极限温度曾经被主流学术界所接受。

回到这项研究，这项研究没有在物理学家中引起轰动，也没有在博客和社区中引起人们的兴趣。这可能是因为物理学家非常清楚室温超导的重量及其承载的意义。

如果室温超导真的是可能的，那么许多科幻小说中的想法将会成为现实。面对如此巨大的可能发现，每个人都屏住呼吸，静静地等待《自然》杂志的最终决定。可以肯定的是，如果《自然》发表这一发现，整个世界将会一片哗然，超导理论的发展将会翻开新的篇章。