常压高温超导技术再破纪录

超导材料（Superconductors）被誉为推动次世代电子与能源技术的关键----如零耗电电子设备（以实现超高速运算与数据中心节能）、次世代能源电网（打造无损耗的智能输电系统）、量子与先进科技（以加速量子电脑与核聚变反应堆的发展）----但前提是，它们不必如此“难伺候”。

要让材料进入超导状态，也就是实现电流传输几乎零电阻、几乎零能量损耗，通常需要极端严苛的条件：极低温、极高压，或是两者兼具。

也就是说，即使知道超导技术能为我们的日常生活带来革命性的应用----例如打造不发热的超高速电动车充电线、无损耗的全国电网，或是强大的磁悬浮列车----我们也无法在每辆车或每条电线旁配备庞大的液氮低温冷冻设备，甚至是能产生地底深度那种高压的“金刚石对顶砧”（Diamond Anvil Cell）。

然而，近期由美国休斯敦大学（University of Houston）物理学家领导的研究团队，成功地在常压（Ambient pressure）条件下，创下了迄今最高的超导转变温度（Critical Temperature, Tc）世界纪录，这一突破使得距离研发出“日常条件下运作”的超导体又迈进了一步。

打破了维持数十年的“133K墙”

这项新纪录将常压超导转变温度大幅提升了近20℃，一举达到-122.15℃（约151K）。

虽然-122.15℃听起来依然寒冷，但相比于早期超导体必须逼近绝对零度（-273.15℃）才能运作的条件，这已经是相当“温暖”的突破。更重要的是，这打破了该领域维持了数十年的僵局。

“这是朝向室温、常压实用超导体迈出的关键一步。”美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）物理学家周华（Hua Zhou）指出，“由于这种材料在常压下仍能保持超导性，科学家可以利用普遍可得的实验仪器对其进行研究，并开始开发能在日常环境条件下运作的相关技术。”

本次突破的材料属于著名的铜氧化物超导体（Cuprate superconductors），其微观结构由氧化铜层与其它金属氧化物层交错堆叠而成，包含汞（Hg）、钡（Ba）与钙（Ca）化学元素，简称为Hg1223。

事实上，Hg1223自1993年问世以来，就一直以140.15℃（约133K）的超导转变温度，保持着常压条件下最高Tc的纪录。然而在此之后的三十年间，常压超导转变温度的推升几乎停滞不前。

锁定亚稳态：像制造钻石一样“定格”高压特性

为了打破这道屏障，休斯敦大学团队采用了一项关键的物理处理技术----“压力淬火”（Pressure-quenching）。

1. 施加极高压：研究人员首先利用金刚石对顶砧，对Hg1223材料施加高达30吉帕（GPa）的压力----这相当于海平面大气压力的 30万倍。高压逼迫晶格中的原子紧密挤压，重组为具备更高超导潜力的结构。

2. 急速释放压力：然后，研究团队在短时间内瞬间解除这种高压压力，将材料“锁定”在一个特定的亚稳态（Metastable state）中。

什么是亚稳态？最经典的例子就是我们熟知的钻石。碳原子在地底深处经高温高压形成钻石结晶，当它被挖掘至地表常压环境时，虽不再承受当初的高压环境，但仍将高压下形成的晶体结构“冻结”并保留了下来。

在“压力淬火”过程中，急速降压会在材料内部诱发独特的微观晶格应变与结构重排。研究人员指出，正是这些留存在亚稳态中的微观结构，让Hg1223在压力回落至一般常压后，依然能记忆并维持在更高的温度下展现超导性。

研究团队随后利用阿贡国家实验室的“先进光子源”（Advanced Photon Source, APS）对材料进行分析，证实了这种材料所展现的超导特性。APS是一座功能强大的同步辐射X射线光源，能够以极高精度观测材料内部的微观结构变化。

超导状态下的物体因迈斯纳效应而显示出磁悬浮特性。(Shutterstock)

摆脱极端高压，迈向室温超导

如果单看“最高温度”，Hg1223并非有史以来超导转变温度最高的超导体。

目前的Tc纪录保持者是十氢化镧（LaH??），它能在-13.15℃（接近家用冷冻库温度）下维持超导状态。然而，它需要高达190吉帕 的超高压才能运作----这种压力相当于地球外核（Outer Core）的极端环境，在现实生活中几乎无法普及应用。

相较之下，Hg1223透过“压力淬火”后，成功脱离了高压设备的束缚，实现了“常压运作”的重大跨越。

物理学家的终极梦想，是打造出“室温且常压”（Room-temperature, ambient-pressure）的超导材料。如果这一目标达成，将彻底改写人类的能源与电子科技。

当然，这些应用距离真正实现仍有一段漫长的路要走，但每一次新的突破，都让人类朝着这个目标更迈进一步。

这项研究于3月发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。