剛剛在實體學的盛會——美國實體學會的三月會議——上，爆出了一個大新聞。來自羅徹斯特大學的Ranga Dias宣布，他們團隊在近常壓（Near Ambient Pressure）下實作了室溫超導。
報告的題目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure
翻譯一下：近環境壓強下觀測到的金屬氫化物室溫超導現象
網址：https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2
Ranga Dias小組在三元氫化物（Lu-N-H，虐稱“鹵蛋氫”）中實作了在1GPa（或1000 MPa），20°C的超導電性。所謂“三元”是說有三種元素，氫化物是氫和别的元素形成的化合物。N和H都是我們熟悉的元素，Lu（Lutetium，镥）稍陌生，它的原子序數是71，電子結構是：4f14 5d1 6s2
以下是Dias報告的摘要：
超導電性是自然界中最深奧的現象之一。然而，由于需要極低的溫度，這種難以捉摸的量子态尚未引起科學界的革命。是以，自從翁納斯（Kamerlingh Onnes）在一個多世紀前首次在4.2開爾文的汞元素中觀察到超導電性以來，近常壓超導成為科學界最追求的目标之一。在過去的十年裡，高壓技術主宰了高溫超導的探索。領先的路線是通過“化學預壓縮”下的氫合金來實作，稀土氫化物LaH10和YH9展示出的超導臨界轉變溫度(Tc)已接近水的冰點。我們在碳硫氫化物（C-S-H）中發現了室溫超導電性（注：該工作已被Nature撤稿），并強調三元或更高的體系可能是較高Tc和近常壓超導的關鍵。在這裡，我們報告了一種新材料在近常壓條件下表現出超導電性的最新進展。這些化合物是在高溫高壓條件下合成的，并在壓縮路徑上考察其完全可恢複的材料及超導性能。有了這些材料，近常壓超導和應用技術的黎明已經到來，現在打開了通過“材料設計”定制極端條件下氫化物的直接途徑。（緻謝：ChatGPT）
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【1】
超導現象很牛，它在磁懸浮列車、核聚變等一系列重要領域有重要應用。其标志是存在一個臨界溫度Tc，當溫度低于這一溫度時會有：1.零電阻現象；2.邁斯納效應（完全抗磁性）。
超導轉變溫度20°C，意味着這種三元氫化物在室溫時就會具有零電阻現象和邁斯納效應。Ranga Dias在報告中給出了三個實作室溫超導的證據，除零電阻，邁斯納效應（磁化率測量）外，還給出了比熱測量的資料（超導轉變的特征是存在比熱跳變）。可以說是相當具有誠意。
同時，這一工作的重要性還在于，其實作室溫超導所需的高壓不是很高，1000MPa（相當于大約1萬大氣壓）已經接近普通等靜壓機的能力，500MPa是等靜壓機的标準規格，如果你提出需求的話，1000MPa也完全沒問題。這标志着，商用的室溫超導已經在向我們招手了。
左圖賣的是500MPa的等靜壓機，右圖說是能定制1000MPa的等靜壓機。
當然，我們還需要其他研究組獨立地重複此項工作，實際上這個領域的工作是頗具争議的。Ranga Dias是一位來自于斯裡蘭卡的實體學家，其首頁上顯示，他大學2006年畢業于斯裡蘭卡的Colombo大學，然後2013年在美國的華盛頓州立大學獲得博士學位。Dias的研究領域是極端條件下（比如高壓）的氫化物的量子現象。
Ranga Dias
2020年，Dias小組已經在Nature發表過一篇類似的工作了，宣稱：三元氫化物（C-S-H）在267GPa的超高壓下實作了轉變溫度為15°C的超導電性。這項工作一出來，就被譽為是諾獎級的工作。可惜的是由于其他實體學家實在重複不出這個結果，而被Nature在2022年9月撤稿了。值得一提的是：完全抗磁性測量在實驗上很困難，往往需要扣除背底信号，這部分“非正常”操作往往是很有争議的。并容易受人的主觀思想（wishful thinking）影響。
2022年9月，C-S-H超導文章慘被Nature撤稿
僅僅過了不到半年，Dias就帶着新的三元氫化物（N-Lu-H）卷土重來，在不那麼極端的高壓（1GPa）下，實作了更高的超導轉變溫度。壓強更低了，Tc更高了。驚不驚喜？奇不奇怪？
本來267GPa，我們還需要金剛石對頂砧實作超高壓，現在立馬降到了窮人也能試一試的1GPa（注：Dias這次還是用金剛石對頂砧做的實驗），想必這次會有更多的組來重複吧？是否重複得出來，是實體學家們絕好的打賭機會。
金剛石對頂砧
【2】
臨界溫度越高，超導就離實際應用越近，比如上世紀80年代發現的銅氧化物就被稱為高溫超導體，因為它在液氮溫區（77K或-195.8°C）可實作超導電性。這已經是了不起的進步了，因為液氮很便宜。變态的實體學家，還希望實作室溫超導（20°C左右），這樣做的好處是可以擺脫制冷裝置，同時也可以推進我們對超導電性的了解。
不奇怪，室溫超導被譽為實體學家們的聖杯，當然壓強不能太高，預設我們就認為是1個大氣壓吧，或者叫常壓下。
經典的超導電性理論認為“電子-聲子”互相作用是導緻電子配對的機制，換句話說，低于臨界溫度Tc時，電子會進入“新”的量子态，即自旋、動量相反電子兩兩配對的态。按照這種“電子-聲子”互相作用圖像，會有所謂同位素效應，簡單說就是：
這裡M是離子的品質，M越小，超導轉變溫度Tc就越高，顯然氫（H）是最小的。這意味着，在BCS架構下，如果我們能實作金屬氫，它将具有最高的超導轉變溫度。但可惜的是，氫和氫之間的互相作用太弱了，通常氫是以氣體的形态出現的，或者我們就需要用超級超級巨大的壓強把H壓為金屬氫。
Dias們的工作可以說是這個簡單思路的延續。
金屬H太難了，怎麼辦呢？一個自然的思路是給裡面引入其他的元素，就好比我們本來要把氫給限制為固體，這太難了，我們就引入其他元素給氫造個籠子（或房子），把H限制在這個籠子裡，這是為什麼人們會在氫化物中尋找Tc更高超導體的原因。
LaH10結構示意：La，紅球；H，綠球。
最早嘗試的自然是二進制的氫化物，在極端高壓條件下，實體學家在SH3中實作了155GPa，203K（-70°C）的超導體，然後在LaH10中實作了190GPa，260K（-13°C）的超導體（注：這兩項工作是被很多實體學家證明的）。自然，下一步就是三元氫化物了。
綠色代表可以用BCS機制描述的超導體，高壓下的氫化物具有最高的超導轉變溫度。
上圖，綠色代表可以用BCS機制描述的超導體，高壓下的氫化物具有最高的超導轉變溫度，并已無限接近室溫（紅色虛線），圖中最高的綠色點（HxSxCx，267GPa）就是被Nature撤稿的工作。
但是，在這裡我們碰到一個“複雜性”的問題，元素周期表中100多種元素，固定H元素，完全随機地試，對三元氫化物來說，我們需要試10000種可能性，這還沒有考慮各種元素的比例。顯然，我們不能随機地試，最好得有個大概齊的方向，試最可能的幾種。這就是所謂材料設計了。
倒數第二行，最後一個元素就是Lu
在BCS的架構下，Tc由“電-聲子”耦合強度決定，而“電-聲子”耦合強度是由Eliashberg譜函數α^2F(ω)計算出來的。是以，我們就需要計算很多三元氫化物的Eliashberg譜函數。這個計算不是很快，但現在我們有機器學習/人工智能，實際上實體學家是基于ML/AI來計算這很多很多種三元氫化物的Eliashberg譜函數的。
用機器學習/人工智能産生Eliashberg譜函數
現在我們知道了，今天的這個刷屏大新聞，幕後的英雄還是ML/AI。其大概步驟是實體學家用比較容易算出來的Eliashberg譜函數來訓練神經網絡，訓練好後，再用神經網絡生成更多比較難算的三元氫化物的Eliashberg譜函數。然後我們就能計算出各種三元氫化物的Tc，接下來，我們隻需試幾種Tc最高的三元氫化物即可。
【3】
小結一下，我們有三個關注點：
1. 這項工作是否會被其他組重複，進而會不會有真正的常壓下的室溫超導體被篩選出來。
2. 如果(1)成立，那麼這将是BCS理論的又一次勝利，也許超導電性真的會被一個BCS架構的超導理論所統一解釋。
3. 什麼都别說了，學習ML/AI吧，這将是所有未來創新型工作的通用工具包。
作者：@ianwest