打破33年常壓超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄

自1911年被發(fā)現(xiàn)以來，超導(dǎo)一直是一個被廣泛而深入研究的課題。提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一直是這種長期研究努力背后的主要驅(qū)動力，因?yàn)檫@一目標(biāo)既具有造福人類社會的巨大潛力，也有助于加深我們對這種在較高溫度下出現(xiàn)的宏觀相干量子態(tài)的理解。

最近，在一項(xiàng)新研究中，研究人員將常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到了151開爾文（–122攝氏度）。這是自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，在無需持續(xù)維持高壓情況下所創(chuàng)造的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

長期的瓶頸

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是指這樣一個臨界溫度：當(dāng)材料溫度低于它時，材料就會進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，也就是說，電流可以在其中無電阻地流動。目前，所有已知超導(dǎo)體都必須冷卻到極低的溫度才能工作，這限制了它們的應(yīng)用性。因此，幾十年來，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一直是超導(dǎo)研究的主要目標(biāo)。

科學(xué)家已經(jīng)知道，極度的高壓能夠幫助實(shí)現(xiàn)更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，但這也使材料更難研究和使用。例如，一種由鑭和氫組成的化合物，在接近地球大氣壓200萬倍的壓力下，最高可在260開爾文（–13.15攝氏度）時表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這是迄今已被確認(rèn)的最高超導(dǎo)溫度。

然而，在常壓條件下，最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄自1993年以來一直停滯不前。當(dāng)時，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種名為Hg1223的汞基銅氧化物陶瓷。這種材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在常壓下達(dá)到了133開爾文（–140攝氏度）。

壓力淬火

而直至現(xiàn)在，研究人員的最新研究終于打破了這個保持了33年的紀(jì)錄，將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度又提高了18度，達(dá)到151開爾文。這一進(jìn)展得益于一種名為壓力淬火的技術(shù)——這對超導(dǎo)體而言是一種新方法，不過在其他領(lǐng)域，如人造鉆石的制備中，已較為常見。

在這種方法中，研究人員首先對材料施加強(qiáng)壓力，以增強(qiáng)其超導(dǎo)性能并提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)材料處于受壓狀態(tài)時，研究人員會先將其冷卻到特定溫度，然后迅速將壓力完全釋放，從而有效地把增強(qiáng)后的超導(dǎo)性能“鎖定”下來。借助這種方法，即使在撤去壓力后，仍能保留較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，從而使材料在常規(guī)條件下保持穩(wěn)定。

具體而言，這一過程包含三個關(guān)鍵階段。首先，研究人員測量了Hg1223在不同壓力下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。隨后，他們利用這些觀測結(jié)果確定了一種理想的“亞穩(wěn)態(tài)”，其特征由一個初始的、也就是“淬火”壓力來定義。

接下來，他們是將Hg1223樣品置于淬火壓力下的金剛石壓砧室中，然后在4.2開爾文的淬火溫度下迅速釋放壓力。這種快速減壓確保材料仍被困在其亞穩(wěn)態(tài)中。

最后，研究人員以盡可能小的擾動將壓力淬火后的樣品從金剛石壓砧室中取出，并在常壓下利用不同探針在砧外對其進(jìn)行表征。

壓力淬火方法首先將超導(dǎo)體置于金剛石壓砧室中（左）。通過記錄電阻突然降向零的溫度來測量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。隨著壓力升高，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也隨之升高（中）。通過快速釋放壓力，研究人員可以使樣品保持在一種亞穩(wěn)態(tài)，而這種狀態(tài)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于其原始相（右）。（圖/L. Deng/University of Houston）

研究人員在不同淬火壓力下測試了多個樣品。所有樣品測得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都高于其常規(guī)水平，其中最高達(dá)到151開爾文。

通向室溫超導(dǎo)的一步

一個多世紀(jì)以來，常壓室溫超導(dǎo)（約300開爾文）一直被科學(xué)家視為一項(xiàng)“圣杯”。雖然這項(xiàng)研究創(chuàng)下的新紀(jì)錄與室溫之間仍然還有大約140攝氏度的差距，但這一新的紀(jì)錄代表著重要的一步。要實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，還需要更廣泛科學(xué)界有組織、有意識地共同努力，其中不僅包括物理學(xué)家，也包括材料科學(xué)家、化學(xué)家和工程師。

#參考來源：

https://www.uh.edu/news-events/stories/2026/march/03102026-ambient-pressure-superconductivity-record.php

https://physics.aps.org/articles/v19/37

https://www.sciencenews.org/article/pressure-superconductor-record-break

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536178123

#圖片來源：

封面圖&首圖：Anthony Gollab/University of Houston