如何实现室温超导？
如何实现室温超导？
室温超导作为物理学皇冠上的明珠之一，吸引了众多科学家的持续关注。近年来，关于室温超导的报道既屡见不鲜亦充满争议，反映了人们对实现室温超导的热切期待。本文介绍了超导现象的基本特征，重点探讨了实现室温超导的10条可行的科学路径。
导 读
超导是凝聚态物质在低温下呈现的一种宏观量子现象。超导材料具有绝对零电阻、完全抗磁性和磁通量子化等特性，可以突破传统金属材料的电磁极限或量子极限，实现低损耗输电、高密度储能、高速磁悬浮、高场磁体、高频率谐振腔、高灵敏光电探测和高性能量子计算等。超导现象的研究极大地拓展了人们对凝聚态物质中量子物态及其微观机理的认识，加速了现代实验测量手段的发展和测量精度的持续提升，并启发了粒子和天体物理领域的一些理论研究。自1911年发现以来，超导就一直占据物理前沿领域的热点，吸引了无数科学家的关注。
图1 典型超导体的晶体结构、发现年份及其临界温度
百余年来，超导研究的魅力不减。一方面，人们寄希望于寻找到综合性能优越的超导材料，实现超导的大规模实用化；另一方面，人们充满期待在超导材料中发现各种新奇量子物态，拓展我们对物质科学的认知边界。超导材料并不是很稀有，截止目前，人们发现了上万种超导材料，几乎遍布各种已知的化合物形式，包括单质、合金、金属间化合物、氧化物、硫化物等等。然而，目前可实用化的超导体却寥寥无几，例如Nb, Nb-Ti, Nb3Sn, Nb3Al, MgB2, REBa2Cu3O7-δ, Bi2Sr2CaCu2O8+δ, Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ, Ba1-xKxFe2As2等（图1）。这是因为超导材料受到三个临界参数（临界温度Tc，临界电流密度Jc，上临界磁场Hc2）的综合限制，加上化学稳定性、毒性、机械性能、制备复杂度、性价比等其他问题，超导的规模化应用一直难以实现。其中制约超导应用的最大因素，就是低温物理环境的成本。目前发现的所有超导体中极少有突破液氮温度（77 K）的体系，意味着在大部分情况下实现超导需要借助昂贵的液氦来维持低温环境。如何寻找到Tc尽可能高温，甚至达到室温（通常默认为300 K）的超导体，是超导领域一直以来的终极梦想。因此，室温超导也被誉为“物理学皇冠上的明珠”之一。
图2 “不明室温超导体”的出现年份和临界温度
历史上，理论物理学家提出了许多室温超导材料的构想，实验物理学家也进行了无数次尝试，但迄今为止，科学意义上的室温超导并没有真正实现。目前公认的常压Tc最高的超导体是铜氧化物HgBa2Ca2Cu3O8+δ (简称 Hg-1223，Tc =134 K) ，高压下Tc最高的超导体是稀土富氢化物LaH10（Tc=250-260 K，P=170-188 GPa)，都未达到室温超导的判定标准。在长期的探索实践中，有大量的难以确定的超导体，其中不乏宣称Tc很高甚至超越室温的材料，但它们基本上无法被第三方独立重复验证，我们可以把它们统称为“不明室温超导体”（Unidentified Room Temperature Superconductors, 简称URTS）（图2）。
幸运的是，科学家们对室温超导仍然是满怀信心的，或许实现室温超导仅仅是时间问题。根据已有的经验，科学家们早就有一些明确的思路去探索室温超导体。本文尝试总结10条实现室温超导的可行性路径，供大家探讨。
01
极端高压下的金属氢化物超导体
关于高压氢化物的超导至今仍然存在一些疑虑，特别是在百万大气压级别的极端高压下使得物性测量非常困难，但高压条件下的金属氢化物仍然是最有希望发现室温超导的材料平台。在元素周期表中，除了惰性气体之外，氢元素几乎可以和任何一个元素形成各种化合物，特别是在高压条件下，氢化物的形式是海量存在的，至今仍有大量未知材料尚待合成。目前，高压氢化物超导体的探索主要集中在金属（特别是稀土金属）元素与氢的二元化合物，一些Tc> 200 K的高压氢化物超导体如LaH10、CaH6、YH9等相继发现的。近年来，科学家开始探索三元氢化物超导体，甚至常压少氢化物超导体。随着近年来计算能力的大幅提升和材料合成技术的发展，未来在氢化物中实现高压室温超导甚至常压室温超导，都是极有可能的。
02
非声子媒介配对的非常规超导体
符合常规BCS理论描述的超导体称之为“常规超导体”，即电子通过交换原子热振动的能量量子——声子来形成“配对”，配对后的电子发生相位相干并凝聚成有能隙的超导态，配对电子被称为“库珀对”。几乎所有的超导体中的载流子都是库珀对，但是它们配对、相干和凝聚的方式却千差万别，声子并不是唯一的“配对胶水”。对于铜氧化物超导体、重费米子超导体、铁基超导体以及铬、锰、镍等其他过渡金属为核心元素的超导体而言，贡献超导特性的原子们不仅因为热振动产生了声子波，还因为原子磁矩之间的相互作用而产生了长程自旋波或短程自旋涨落，它们都有可能成为电子的“配对胶水”。这些非声子作为媒介的电子配对的超导体，统称为“非常规超导体”，意味着其超导态不满足传统BCS理论的描述。原则上如果理解了非常规超导的微观机理，找到多种相互作用的增强效应，就有可能提升它们的Tc，比如打破铜氧化物超导体Tc= 134 K的记录，或在铁基、镍基等超导体的Tc取得新突破等。
03
准二维界面超导体
超导弱电应用的材料大部分是薄膜形式，或者可以称之为准二维超导体。目前已经发现了一些准二维界面超导体：如在Cu-Al-Sn超结构、LaAlO3/SrTiO3界面、La1.55Sr0.45CuO4 / La2CuO4超结构、EuO/KTaO3界面等。在SrTiO3、BaTiO3和LaFeO3的衬底上FeSe单原子层薄膜，Tc =65 K，75 K和80 K，远远超过块体FeSe的Tc =9 K。如果能够从微观上理解界面超导的机制，从而设计一些合适的界面超导体，是有可能获得室温超导材料的。
04
载流子可调控的超导体
在铜氧化物、铁基和镍基等高温超导体中，有一个非常普遍的现象就是超导Tc可以借助“载流子掺杂”的方式来调控。即通过元素替换或原子空位来引入更多的电子或空穴，从而改变体系的载流子浓度，对应的Tc会出现一系列非单调的变化。除了掺杂以外，还可以借助液体离子门、固体离子门甚至电化学的方式来改变载流子浓度。在一些Tc未饱和的材料实现更大幅度的载流子调控，室温超导电性也是值得期待的。
05
原子智造的介观超导体
如果超导体在某些维度上受限，比如二维的单层材料或一维的纳米线材料，那么受限空间距离方向上不足以维持相干库珀对的存在，但不受限的方向则可能增强库珀对的相干性和对外磁场的抗干扰能力，对应着Tc的大幅度提升。通过合理的人工设计，是有希望在介观尺度构造一些特殊的结构来增强超导电性，最终获得室温超导电性。
06
AI预测新型超导体
如今，借助强大的AI大模型工具，科学家在材料计算和性能预测方面的能力有了质的飞跃。一方面，可以借助超级计算机来计算材料的可能结构形态和基本物性；另一方面，可以借助AI工具检索、分析、学习已有的材料科学数据库，进而发现尚未认识清楚的潜在规律，预测出新型超导材料甚至是室温超导材料。
07
原子高度无序的超导体
通常研究的超导材料都是晶体材料，即内部原子是具有长程有序的周期结构。在原子局域无序状态下，是否有超导电性的存在？已有的研究表明，在准晶材料、高熵材料和非晶材料中，都有可能出现超导电性。在原子高度无序情形下，库珀电子对如何形成并保持稳定，是一个具有理论挑战的难题，也不排除存在“局域室温超导”的可能性。
08
有机-无机复合型超导体
相比于无机材料，有机材料的构型和种类都要多得多，只是它们大部分都是绝缘体。我们可以发挥想象，在各种有机-无机复合材料中，是否存在导体甚至超导体，乃至室温超导体呢？例如，在FeSe掺入等有机大分子之后，其Tc确实从9 K提升到了40 K以上。若在Tc=100K左右的超导体进行类似操作，是否可以获得Tc= 300 ~ 400 K的超导体呢？
09
地球之外的超导体
把目光放的更远一些，在地球之外，是否存在超导材料，甚至是室温超导材料呢？已有发现认为陨石含有超导体，一些地外天体形成于恒星诞生后不久，可能在极端高温高压环境中形成了一些人工无法合成的材料，也许具有超导的可能。例如在木星等气态行星的内核压力达到了400 GPa以上，完全可以形成金属氢室温超导体。
10
非电子载流超导体
已发现的所有超导体都属于电子载流超导体，即超导态是电子库珀对的宏观量子凝聚态。但是，如果把电子替换成其他导电粒子，是否同样可以形成超导态呢？例如中子星内部就有可能形成质子超流态或超导态，其“临界温度”可能高达上亿摄氏度。而理论上，诸如极化子超导或自旋超导态也被提出，是否具有室温超导电性尚待探讨。
本文原文来自The Innovation Materials