文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所研究員）
從事超導研究的科學家們，有一個終極的夢想，那就是尋找到可實用化的室溫超導材料。
還記得科幻電影《阿凡達》里描述的潘多拉星球嗎？那里有著富饒的室溫超導礦石——Unobtanium，它足以讓一座座大山懸浮在空中 (圖1)。地球人類甚至不惜一切代價，哪怕是摧毀外星人的家園，也要掠奪過來。這足以說明，室溫超導材料堪稱無價之寶，人類或許在地球上找不到，也夢想在別的外星球上去獲得[1]。
有趣的是，在比特幣盛行之后的今天，Unobtanium已經搖身一變，成為了眾多虛擬數字貨幣之一——超導幣 (UNO) (圖2)。超導幣一共有25萬個，目前單個市值1000人民幣左右，遠不及高溫超導材料的寶貴。
所謂室溫超導，指的是在地球室溫環境下（通常默認是300 K，也即27℃）就能夠實現零電阻和完全抗磁性的超導材料。這意味著，室溫超導材料對應的超導臨界溫度必須在300 K以上。
事實上，自從超導材料被發現以來，人們就沒有停止過對室溫超導的向往和探索。甚至可以說，諸如有機超導體、重費米子超導體、銅氧化物高溫超導體、鐵基超導體等都是室溫超導探索之路上的偶然發現[2]。直到最近，人們還在孜孜不倦地追求室溫超導材料。
全球最大的論文預印本網站arXiv.org經常報道出各種“室溫超導體”，比如2016年Ivan Zahariev Kostadinov就聲稱他找到了臨界溫度為373 K的超導體，他沒有公布這個超導體的具體組分，甚至為了保密把他的研究單位寫成了“私人研究所”[3]。
又如一隊科研人員聲稱在巴西某個石墨礦里找到了室溫超導體，并且做了相關研究并正式發表了論文[4]。還有，在2018年8月，兩位來自印度的科研人員號稱在金納米陣列里的納米銀粉存在236 K甚至是室溫的超導電性，并且有相關的實驗數據[5]。
毫無疑問，這些聲稱的“室溫超導體”，都是很難經得住推敲和考證的，它們很難被重復實驗來驗證。有的根本沒有公布成分結構或者制備方法，就無法重復實驗；有的實驗現象極有可能是假象；有的實驗數據極有可能不可靠。
關于373 K超導的材料，所謂的“室溫超導磁懸浮”實驗更像是幾塊黑乎乎的材料堆疊在磁鐵上而已 (圖3) [6]。關于236 K超導那篇論文中數據就被麻省理工學院的科研人員質疑，因為實驗數據噪音模式“都是一樣的”，這在真實實驗中是不可能出現的事情[7]。這確實是令人沮喪的，絕大部分室溫超導體都這么不靠譜，那么該相信誰？
事實的真相比這個還要悲觀，在探索室溫超導之路上，除了我們熟知的那些類別的超導體之外，其實還有許多聲稱超導的材料。科學家借助UFO (Unidentified Flying Object，不明飛行物)的概念，戲稱這些材料為USO (Unidentified Superconducting Object)，即“不明超導體”[3, 8]。
的確，這些不明超導體長得千奇百怪，有金屬的液體溶液，有高壓淬火的CuCl和CdS，也有看似正常的過渡金屬氧化物或者其薄膜，還有和銅氧化物等超導材料特別類似的，也有在特殊超導材料基礎上摻雜的。它們的超導臨界溫度，從35 K到100 K，甚至到400 K！相關的實驗證據有的是零電阻，有的是抗磁性，也有兩者皆有的 (圖4)。
不明超導體似乎看起來都像是超導體，但是它們有一個共同特征——無法被科研同行的實驗廣泛驗證。關于這些奇怪超導的研究，都因為無法重復而不了了之，最終被大家所恥笑和忘卻。
即使如此，人們心目中的那個室溫超導之夢，依舊縈繞不止。無論是美國、日本還是中國，都前后啟動過以室溫超導材料探索為遠景目標的科研項目。日本科學界甚至明確指出要探索400 K以上的超導體，為的就是在室溫下可以規模化應用。只是，這些項目，目前尚未給出任何一個令人驚喜的答案，室溫超導探索，依舊是漫漫長路。
如何尋找到更高臨界溫度甚至是室溫之上的超導材料，科學家們可謂是絞盡了腦汁。遙想當年，無論是實驗家馬蒂亞斯總結的“黃金六則”，還是理論家麥克米蘭劃定的40 K紅線作為“看不見的天花板”，都先后被證明并不準確，甚至可能帶來誤導。況且，如重費米子和鐵基超導等，都是打破“禁忌”的超導材料，其發現似乎充滿各種偶然性和意外性。
我們還能憑借經驗尋找到室溫超導體嗎？可以這么說：沒有任何一種靠譜理論說明室溫超導體并不存在，也沒有任何一種限制可以阻止我們追逐室溫超導的夢想，更沒有任何一條有用的經驗能幫助我們尋找到室溫超導體。
話雖如此，科學家們還是總結了高溫超導中的若干共性現象，并試圖建立高溫超導的“基因庫”。這些“高溫超導基因”，可以是過渡金屬材料的3d電子，可以是電子-電子之間的強關聯效應，可以是準二維的晶體結構和低濃度的載流子數目，可以是強烈的各向異性度和局域的關聯態，可以是多重量子序的復雜競爭……，線索有很多，但是哪一條有效尚屬未知[3]。
尋找室溫超導之路，有三條可以嘗試走：1、合成新的材料；2、改進現有材料；3、特殊條件調控材料[9]。其中第二條是顯而易見的，比如改進現有的銅氧化物高溫超導材料的質量，對其進行化學摻雜等改造，以期獲得更高臨界溫度的超導體。特殊條件調控，指的是利用高溫、高壓、磁場、光場、電場等方式調控材料的狀態，在更高溫度下形成超導態。合成新的材料是最困難的，因為沒有可靠的經驗能夠告訴我們室溫超導在哪里，只能“兩眼一抹黑”去探索。
部分科學家認為，有機材料里面，室溫超導體的可能性最大。原因有很多，最大的原因在于有機材料的種類非常豐富，里面冒出一兩個室溫超導體，“并不奇怪”。不過也需要特別小心的是，有機材料以及一些碳材料中，非常容易得到微弱的抗磁性或者出現電阻率下降的現象。這不，早在多年以前，就有人認為碳納米管中存在262 K甚至636 K的“室溫超導”，這里只能說是“疑似”，因為其數據只是電阻存在一個下降而已，零電阻和抗磁性并不同時存在。
基于碳單質的材料可以變化多端，也成為大家設計室溫超導體的樂園。科學家基于自己的直覺，設計出了多個苯環化合物、多個足球烯結構、碳納米管包覆足球烯、由足球烯或碳納米管為單元的“超級石墨烯”等 (圖5) [10-13]。這些材料以目前的技術是難以合成的，但隨著人們對量子操控技術的掌握，也許在將來的某一天真的可以實現，也有可能覓得一兩個室溫超導體呢！
如果選取了合適的調控手段，室溫超導也是有機會被發現的。結合X射線自由電子激光和脈沖強磁場，美國斯坦福大學的科學家發現高溫超導體中可以誘導出一種三維的電荷密度波態，意味著電荷相互作用更為強烈，更高臨界溫度的超導電性有可能實現 (圖6) [14]。
德國馬普所的科學家們利用紅外光“加熱”高溫超導體內部的電子，讓它們更為活躍地形成庫伯電子對，在增強Cu-O面間的耦合前提下，電子對甚至可以存活于室溫之上 (圖7) [15]。不過如此形成的室溫超導的壽命是極短的，大概只有10-12秒，所以又被稱之為“瞬態室溫超導”。尋找到更適合調控電子配對的方法，讓庫伯電子對的相干凝聚更為穩定，或許是走向真正室溫超導的可能道路之一。
總之，超導探索之路上的多次驚喜和教訓已經告訴我們，室溫超導之夢并不是遙不可及。隨著人們對超導認識的深入和科學技術的不斷進步，將來必定能夠發現室溫超導，夢想總有照進現實的那一天。
參考文獻
[1] 羅會仟．室溫超導體，科幻還是現實？[Ｎ]．科技日報，2016-07-21.
[2] Marouchkine A. Room-Temperature Superconductivity[M]. Cambridge International Science Publishing, 2004.
[3] Kostadinov I Z. 373 K Superconductors[J], arXiv: 1603.01482, 2016.03.04.
[4] Precker C E et al. Identification of a possible superconducting transition above room temperature in natural graphite crystals[J]. New J. Phys., 2016, 18:113041.
[5] Thapa D K et al. Coexistence of Diamagnetism and Vanishingly Small Electrical Resistance at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures[J]. arXiv: 1807.08572, 2018.05.28.
[6] http://www.373k-superconductors.com/.
[7] Skinner B. Repeated noise pattern in the data of arXiv:1807.08572[J]. arXiv: 1808.02929, 2018.08.08.
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[13] Mickelson W et al. Packing C60 in Boron Nitride Nanotubes[J]. Science, 2003, 300: 467.
[14] Gerber S et al. Three-Dimensional Charge Density Wave Order in YBa2Cu3O6.67 at High Magnetic Fields[J]. Science, 2015, 350:949.
[15] Mankowsky R et al. Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5[J]. Nature, 2014, 516: 71.
(本文原題《室溫超導之夢：探索室溫超導體的途徑與實現》，摘自《超導“小時代”》，經作者授權發布，此次發表時有所更新。未經授權，禁止轉載)