近日，美國物理學(xué)會會議上，美國羅徹斯特大學(xué)的PhD. Ranga Dias博士（蘭加·迪亞斯博士）的團隊報道了氮摻雜的氫化镥（三元氫化物N-Lu-H）在1GPa下具有Tc=294K（21℃）的超導(dǎo)特征，這一報道在學(xué)界、業(yè)界迅速引起廣泛關(guān)注。

在此，中車工業(yè)研究院技術(shù)團隊將從學(xué)術(shù)角度出發(fā)，帶大家回顧本次事件的始末，并希望大家能夠冷靜審慎地看待室溫超導(dǎo)材料領(lǐng)域這項有待重現(xiàn)的突破性成果及其尚且遙遠的應(yīng)用可能。

什么是超導(dǎo)?

導(dǎo)體的電阻一直被認為是材料的本征屬性之一：當電流通過材料時，晶格、聲子和雜質(zhì)等對載流子產(chǎn)生了阻礙與散射，使載流子的能量以熱耗散，即為電阻。

在百余年前，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林-昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：將汞冷卻到-268.98℃（4.17K）時電阻會突然消失，由此發(fā)現(xiàn)了金屬的超導(dǎo)態(tài)并獲得了1913年諾貝爾獎。超導(dǎo)態(tài)的材料所具有的零電阻、抗磁性等諸多優(yōu)越的特性，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)備受關(guān)注，在電子、電力、航空航天、軌道交通、軍工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc）是特定材料可表現(xiàn)出超導(dǎo)特征的最高溫度，也是限制超導(dǎo)體得以應(yīng)用的主要條件之一。

在常壓下，傳統(tǒng)的金屬超導(dǎo)體表現(xiàn)出的極低Tc甚至低于液氫（20K），即使是具備更高轉(zhuǎn)變溫度的鐵基超導(dǎo)體、常表現(xiàn)出的Tc也顯著低于廣泛應(yīng)用的液氮（77K）。這些超導(dǎo)體都難以實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，僅在科研裝置、醫(yī)療裝置等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。1987年，釔鋇銅氧系（YBaCuO）超導(dǎo)材料在常壓下表現(xiàn)出Tc=90K的高溫超導(dǎo)特性，突破了液氮溫區(qū)；隨后鉈鋇鈣銅氧（TlBaCaCuO）和汞鋇鈣銅氧（HgBaCaCuO）將常壓下的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高至Tc=125K-135K附近；數(shù)種高溫超導(dǎo)材料現(xiàn)已嘗試以復(fù)合導(dǎo)體的形式開展小規(guī)模的試驗，距離應(yīng)用尚且遙遠。

臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc在常壓下暫無更多的提高，高壓環(huán)境下的超導(dǎo)特征在學(xué)術(shù)界開始嶄露頭角。2015年，硫-氫（S-H）二元體系被發(fā)現(xiàn)在150GPa下具有Tc=203K （-70℃）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變特征，突破干冰溫區(qū)（-78.5℃）；2018年鑭-氫（La-H）二元體系則在被發(fā)現(xiàn)在190GPa下具有Tc=250K（-23℃） 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變特征，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度進一步提高。

超導(dǎo)材料發(fā)展歷程？

2011年
?CS2被報道在9至50GPa高壓下具有絕緣聚合物-半導(dǎo)電聚合物-金屬轉(zhuǎn)變
2013年
?CS2被報道在50至172GPa的高壓下觀察到Tc=4K-7K的低溫超導(dǎo)特征
2020年
?碳摻雜的硫氫化物（C-S-H）被報道了在267GPa下具有Tc=287.7K的室溫超導(dǎo)特征；并由理論計算工作報道了硫氫化物（HS）的R3m相中摻入5%-6%的碳將產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，隨壓力增加而增強的電子-聲子耦合和平均聲子頻率被認為是極高壓下室溫超導(dǎo)性的來源
2021年
?在H2S-H2和CH4-H2系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的范德華化合物中，H3S0.962C0.038在267GPa下具有Tc=288K的超導(dǎo)特征；釔的超氫化物被報道在282GPa下表現(xiàn)出Tc=262K的超導(dǎo)特征
2022年
?在100GPa下呈分子態(tài)的碳質(zhì)硫氫化物（C-S-H）被報道了具有Tc=191K的超導(dǎo)特征，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變所需的壓力有所下降

緊隨以上的工作，在2023年3月的美國物理學(xué)會議上，Ranga?Dias博士的團隊提出了LuHxNy在10kbar（1GPa）下接近室溫的294K（21℃）的超導(dǎo)特征（相關(guān)論文由Nature發(fā)表）。

本次所報道的近常壓-室溫超導(dǎo)體：氮摻雜的氫化镥（三元氫化物N-Lu-H）在不同壓力下被測試了電阻ρ、磁化率χ′和比熱c等多項參數(shù)。報道所示的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的一致性，在10kbar（1GPa）下表現(xiàn)出來現(xiàn)階段最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，被Dias等認為是LuHxNy具有近常壓-室溫超導(dǎo)特性的有力證據(jù)。此外，本次報道還通過XRD、EDX等方法對高壓合成的三元氫化物（N-Lu-H）的結(jié)構(gòu)進行解析。

評?述：

目前，學(xué)界對本次三元氫化物（N-Lu-H）的室溫超導(dǎo)特性仍持有十分謹慎的態(tài)度。

據(jù)澎湃新聞報道，上海市高溫超導(dǎo)重點實驗室主任、上海大學(xué)教授蔡傳兵的觀點稱：“此次報道的研究成果亮點在于，一是將此前所需的極端高壓267GPa變成了一個相對低的壓力1GPa，二是引入了稀土金屬——镥元素（Lu，Lutetium）合成了三元氫化物（N-Lu-H），建立了新的超導(dǎo)材料體系，具有成分創(chuàng)新和成功的可能性”。

而據(jù)《返樸》報道，中國科學(xué)院物理研究所研究員孫力玲的觀點認為“（相對較低的壓力）在實驗技術(shù)上并沒有壁壘”。

中車工業(yè)研究院評論道：“我們認為，這樣一項潛在的、突破性的結(jié)果在目前已有的發(fā)現(xiàn)中讓我們看到了亮點和希望。但從科學(xué)和工程的角度來看，我們尚需更多的證據(jù)與實驗去確認本次報道的現(xiàn)象是穩(wěn)定的、可重現(xiàn)的、是可以帶給我們更多新認知的。

一項發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用并不是一蹴而就的，未來該材料領(lǐng)域的驗證、應(yīng)用仍有更漫長的路需要我們持續(xù)探索。讓我們共同期待這是一把能夠開啟材料領(lǐng)域大門的新鑰匙！”

來源：?中車工業(yè)研究院有限公司