催生了8个诺贝尔奖的超导领域，中国科学家的203K如何颠覆极限？

【编者按】本文由知社学术圈的胡莱之教授的撰稿分享。如你也是学术圈内人士，或者对科学领域有专研兴趣，可进入知社学术圈公号查看。

开篇之前，你可带着这样的疑问：

203K的超导体硫化氢，为什么让科学界如此兴奋？中国物理学家，在这里面起了什么关键作用？

2014年7月7日，吉林大学崔田教授领导的团队给 Scientific Report 投了一篇文章，题为压力诱导硫化氢的金属化和高临界温度超导性 （Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity）， 计算预测在200 GPa高压下，硫化氢的超导临界温度在191K 至 204K 之间。这个文章 2014年11月10日在线发表。

2014年12月1日，德国马普所的Drozdov, Eremets和Troyan在预印本网站 arxiv.org 贴了一篇文章，题为高压下190K的传统超导体（Convetional superconductivity at 190K at high pressure），报道其在硫化氢超导性的实验研究，证实了中国物理学家的理论预测。

（编者注： 马普所 是马克斯-普朗克研究所（ MPI）的简称，由近80科研院所组成，涵盖了对自然科学、生命科学、社会科学、艺术和人文学科基础研究。其前身是德国的威廉皇帝研究院，而后因马克斯-普朗克对德国科研作出的巨大贡献而改名。马克斯-普朗克本人在1918年获得诺贝尔奖，是量子理论的奠基人。马普所在研究领域的成绩享誉世界。）

这立刻在科学界引起旋风般的反应，有人兴奋赞美、有人怀疑观望，当然更多的人是一窝蜂扎进去跟风。物理学界重现80年代中期高温超导和前几年铁基超导的研究热度。

2015年8月17日，马普所这个文章在 Nature 在线发表，转变温度提高至203K。这个温度比之前的记录，氧化物高温超导体高压下的164K，提高了将近40K！  然而这还不是最让人意外的。

真正让人震惊的是，硫化氢属于传统超导体的范畴，而在此之前，传统超导体的转变温度最高纪录，只有40K！整整提升了163K！

在超导这个可歌可泣的领域，一共产生了8个诺贝尔奖。有人闻到下一个诺奖的气息了么？会不会有中国人的身影？

为什么物理学家会如此的兴奋？ 请让我们走进超导体的前世今生。

早期研究

1908年， Onnes 成功制备液氦，并在液氦温度下研究物质热力学和电学性质。1911年，他发现水银电阻在4.2K以下降为0，并将此特性命名为超导性，从此开辟一个领域，引领潮流100年。1913年，他因此荣获诺贝尔物理学奖。这是超导领域诸多诺奖的第一个。

此后的进展及其缓慢，经过大约半个多世纪的时间，元素超导体的临界转变温度还定格在10K左右，而化合物超导体的临界转变温度也不超过30K。为什么超导临界转变温度如此之低？

1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论，即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用，互相吸引，形成 Cooper 对。而这个Cooper对可以在晶格中无阻碍传输，是超导的机制。临 界温度的存在，则是因为较高温度下更强的晶格振动对Cooper对造成破坏。

BCS理论的提出，受到另一个工作的启发。1938年，Kapitsa 发现液氦的超流性，即不具有粘性。这是因为整数自旋的粒子可以结合在一起，形成波色爱因斯坦凝聚，从而不受其他干扰。Kapitsa 因此工作荣获1978年代诺贝尔物理学奖。于此相关，Lee、Osheroff 和 Richardson因为发现He-3的超流性，也在1996年荣获诺贝尔物理学奖。而波色爱因斯坦凝聚的实验，要等到1995年才在科罗拉多大学实现。 Cornell、Ketterle和 Wieman 因此荣获了2001年代诺贝尔物理学奖。

电子自旋是1/2，显然无法形成波色爱因斯坦凝聚。但是组成Cooper对之后，自旋变为零，就可以产生波爱凝聚了。这是传统超导体的奥秘所在。

BCS理论解释了超导现象，Bardeen、Copper 和Schrieffer三个人1972年荣获诺贝尔物理学奖。

这一领域获奖的当然还有大名鼎鼎的 Landau，1962年因其相变理论，特别是在液氦超流性的应用，荣获诺贝尔物理学奖。以及 Ginsburg，在2003 年与 Abrikosov 和 Leggett 因在超导和超流领域的理论研究共同获奖。传统超导体获奖的工作还有超导隧穿效应， 1973年获奖。这真是一个英雄辈出的领域！

其他进展

传统超导体虽然成就了一大批理论物理学家，实验上的进展却极其缓慢，很多年来，其临界转变温度被定格在23K。

直到1980年代初，Bednorz 和 Muller 开始在氧化物中寻找超导体，最终在1986年成功合成钙钛矿结构的LBCO，临界转变温度高达35K。这立刻掀起了全球范围的热潮，包括华人物理学家朱经武和中科院物理所赵忠贤在内的团队，很快将高温超导的临界转变温度提升到100K以上。Bednorz 和 Muller 因此在一年之后，就获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

钙钛矿真是一个神奇的结构！知社本周将报道中国学者在这方面的突破性进展，接近产业化的世界纪录指标，有兴趣的可关注，这里就不做更多陈述。 但是这个钙钛矿的氧化物高温超导体，无法被BCS理论所解释，目前也没有人知道其微观机理。

此外就是2008年日本人发现的铁基超导体，中国物理学家迅速跟进，做出了突出贡献。这个领域既获得了国家自然科学一等奖，也炒出了院士评选的罗生门，让人唏嘘不已。

传统超导体的硫化氢

最后还是回到硫化氢。在BCS 理论框架下的传统超导体，有三大鲜明的特征：

存在临界转变温度，在这个温度以上 Cooper对分解，超导性消失；

超导体内部排斥磁场，且存在临界磁场强度，在此磁场强度以上超导性消失；

同位素改变晶格振动，进而影响临界转变温度。

因此，要验证传统超导体，需要这三方面的实验证据。很长一段时间，超导体的临界转变温度提升很慢，停留在20K-30K。Cohen 和 Anderson 提出如果电子对与晶格相互作用过强，会破坏晶格。因此，他们估算临界转变温度极限为30K左右。但 Ginzburg 对此深表怀疑，认为不存在这样的理论极限。他与 Ashcroft 提出金属氢的离子振动足够强，可以承受与电子的强耦合，因而具有高的临界转变温度。由于氢金属化非常难，人们将注意力转向氢化物。而中国的物理学家，更是对此做了准确的计算。

让我们看看三方面的关键证据。首先是临界温度的存在，并受压力的影响：

再看看同位素对临界转变温度的影响：

最后是磁场对临界温度的影响：

这几组数据毫无疑议的确定了硫化氢的传统超导体的属性，而在此之前，传统超导体的临界温度不超过40K， 一下子提高到203K！ 而且，Nature 新闻稿称， 这是第一次理论预测的超导体在实验中被证实，而这个计算，是中国物理学家做出的。知道为什么大家如此兴奋而惶恐么？

203K，比地球自然实现的最低温度，还要高20K！这会带来什么样的应用前景？ 对此我们拭目以待。

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