上周，《<0xC2><0xA0>自然<0xC2><0xA0>》杂志撤回了一篇论文，为最近关于室温超导性的说法画上了句号——研究人员在论文中称，他们制造出了一种无需产生废热，也无需制冷就能导电的材料。
此次<0xC2><0xA0>撤稿<0xC2><0xA0>事件，紧随<0xC2><0xA0>之前对一种名为 LK-99 的所谓<0xC2><0xA0>超导体的更为大胆的声明的破灭，该声明今年早些时候在社交媒体上疯传。
尽管遭遇了这些备受瞩目的挫折，超导研究人员表示，该领域正经历某种程度的复兴（参见“时间线：超导里程碑”）。“这不是一个正在衰落的领域——恰恰相反，”罗马 Sapienza 大学专门从事计算预测的物理学家 Lilia Boeri 说。部分进展是由计算机模拟预测未发现材料的存在和性质的新能力推动的。
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许多兴奋点都集中在“超氢化物”上——富氢材料，只要保持在高压下，它们就能在越来越高的温度下表现出超导性。被撤回的《<0xC2><0xA0>自然<0xC2><0xA0>》论文的主题据称就是这样一种材料，由氢、镥和氮组成。但过去几年的工作已经发现了几个可能具有革命性特性的材料族。“看起来我们真的处在能够发现大量新超导体的边缘，”艾姆斯爱荷华州立大学和艾姆斯国家实验室的物理学家 Paul Canfield 说。
电子冲浪
当固体中的电子结合形成“库珀对”时，就会出现超导性。<0xC2><0xA0>这使得比平常更多的电子能够在材料内部同步移动，从而使电子能够在不产生废热的情况下传输电流。
在“传统”超导体中，电子在材料中的振动（库珀对像冲浪者一样在波浪上骑行的机械波）的推动下形成库珀对。直到 2000 年代中期，研究人员普遍认为这种机制仅在极低温度下有效，最高可达约 40 开尔文。由单一元素制成的超导体都要求温度低于 10 开尔文才能表现出这种特性。二硼化镁是一种传统超导体，<0xC2><0xA0>由日本冈山大学的秋光纯率领的团队于 2001 年发现，将最高温度纪录提高到 39 开尔文。
超氢化物的理论基础是在 2004 年奠定的，当时已故理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特预测，某些元素会与氢形成化合物，如果施加足够的压力迫使氢原子更紧密地结合在一起，这些化合物可能在比任何其他材料都高得多的温度下实现超导。
根据阿什克罗夫特的理论，氢原子的接近会增加机械振动的频率，这将使材料在保持超导性的同时变得更暖。但有一个问题：为了存在，其中一些材料需要与地球核心相当的压力。
在金刚石压砧内对微小样品进行高压实验并测量其结果方面的进步，在 2015 年取得了突破，当时德国美因茨马克斯普朗克化学研究所的物理学家米哈伊尔·埃雷梅茨和他的合作者<0xC2><0xA0>首次证明了超氢化物，硫化氢的超导性。从那时起，科学家们已经预测了该系列中几种其他超导材料的存在——其中一些已经被发现，包括钙基<0xC2><0xA0>笼状结构，称为笼形水合物。
目前，任何类型的“最热”超导体都被认为是<0xC2><0xA0>十氢化镧，它是超氢化物类中的一员，已被证明是在至少 250 开尔文温度下的高压传统超导体。
先进的模拟
埃雷梅茨和其他人表示，理论、模拟、材料合成和实验的相互作用对于进步至关重要。从 2000 年代初期开始，模拟就能够预测具有特定晶体结构和化学成分的材料是否可能是超导体，以及它在什么温度下可以表现出这种特性。但下一个重大转变是后来十年引入的算法，这些算法不仅可以预测材料的性质，还可以预测哪些材料可以从给定的元素混合物中形成。“在那之前，一个关键部分缺失了：理解化合物是否首先可以形成，”Boeri 说。
2015 年硫化氢是一种超导体的发现与前一年进行的计算机模拟结果一致。莫斯科斯科尔科沃科学技术研究所的材料科学家 Artem Oganov 说，如果没有结构预测的快速进步，富氢超导体的发现“可能要再过一个世纪才能发生”，他率先开发了结构预测算法。他的“进化”算法尤其可以找到在给定压力下原子能量最低（因此最有可能形成并保持稳定）的构型。
模拟对于预测材料在高压下的行为尤为重要，在高压下，原子被推得彼此非常靠近，以至于它们不仅通过其外层电子相互作用，而且还与更内层的电子相互作用，从而将化学教科书的教条抛诸脑后。一个例子是六氢化锂，它只能在高压下存在。“任何普通化学课的人都会告诉你，像 LiH6<0xC2><0xA0>这样的东西不可能稳定，”纽约州立大学布法罗分校的计算化学家 Eva Zurek 说。
本文经许可转载，并于 2023 年 11 月 16 日<0xC2><0xA0>首次发表。