互动科普

在超高压下，硫化氢会变成超导态！？

随着超导列车和超导输电等验证试验的进行，超导体渐渐地开始融入我们的生活中。但说起现在研究者们心中的梦想的话，就是去发现室温下的超导体。

2015年8月17日，英国《自然》杂志上刊登了一篇与超导体相关的惊人的报道。人们发现硫化氢在150吉帕斯卡（150万标准大气压）的压强下，只需要把温度下降到203K（约为-70℃），即可转变为超导体，当然这种条件下硫化氢已经变成了固态的金属。

到目前为止发现的常压超导体中，转变温度最高的物质是HgBa₂Ca₂Cu₃O_x，于1993年被发现，转变温度为133K（约-140℃）。1994年时已经确认其在31吉帕斯卡（31万标准大气压）下转变温度变为164K（约-109℃）。这是之前能够找到的拥有最高转变温度的物质。如果这一次的有关硫化氢的报道是真实的话，将打破维持了20年的转变温度的最高纪录，将其一下子提升了接近40℃。

在教材上的硫化氢是一种有着“腐臭鸡蛋味道”的有毒气体。它的分子结构非常简单，就是氢原子和硫原子组成的。这样简单的物质达到固态时就能成为超导体了？

确认某种物质能不能成为超导体，除了需要看它能不能具有电阻变成零这样的超导性质，以及迈斯纳效应之外，也有必要考察它的化学组成和原子排列方式。已经确认了硫化氢的零电阻性和迈斯纳效应，但由于整个试验在超高压的状态下进行，所以很难搞清楚它的晶体结构。   

迈斯纳效应

超导体中会自发地产生电流，该电流感应出的磁场抵消掉外场磁感线，其结果就产生了反作用力，超导体浮在磁铁的上面。

与金属系超导体属于相同的系列

到目前为止发现的超导体能够分成几个大系列：金属类、铜氧化物类、有机金属类和铁基超导体等。如果仔细分析的话，硫化氢很可能是与最为传统的金属类超导体有着相同的机制。

构成物质的原子在物质内部呈格子状的排布，就被称为“晶格点阵”。金属中的电流产生时，其实就是带负电的电子在晶格中穿行。但是由于热能的存在，晶格在不停地震动，与电子发生碰撞。这个电子和晶格碰撞的过程就是电阻形成的原因。在传统超导体中电子是成对存在的，其状态不会产生电阻。这样的电子对被称为“库珀对”，以库珀对为基础的“BCS理论”（BCS是三位发明人巴丁、库珀和施里弗的名字首字母的组合，因为这个贡献，他们三人获得了诺贝尔物理学奖）构成了的超导体的基础理论。

关键在于晶格点阵和电子之间的作用力

那么我们接下来说明一下BCS理论的概要。当带负电的电子在物质中流动的时候，晶格中带正电的原子（离子）会吸引这个电子。比电子重得多的原子在吸引电子之后会向着电子的位置聚集。这时在晶格中的这个部位就带上了很强的正电荷。所以这个区域就很容易吸引带负电的电子。在被扰动的晶格原子回到自己原来的位置之前就进来第二个电子的话，这两个电子就是以晶格为媒介间接地相吸引，这就形成了电子对。形成电子对的原理示意图

在金属中流动的电流实际上是带负电的粒子—电子定向运动的结果。电子在晶格中穿行时受到周围的带有正电的原子（离子）的吸引（1）。由于原子比电子重很多倍，所以被电子扰动后不会立刻就回到自己原来的位置上，如此一来，就形成了一个电荷为正的区域（2）。这个电荷为正的区域里会吸引附近的其他电子。间接地，两个电子之间形成了吸引力，电子对就形成了（3）。

突破了BCS理论的“上限值”

对于金属类的超导体来说，这样的晶格点阵和电子之间的相互作用是电子对形成的主要原因。实际上在20世纪80年代就已经预言了基于这种作用力的大小计算出的转变温度，其上限值大约是30～40K。符合这一预言范围内具有最高的转变温度的超导体物质是于2001年日本秋光纯教授小组发现的硼化镁（MgB₂），其转变温度为39K（-234℃）。那么有着高达203K转变温度的硫化氢怎么会和金属系超导体有着相同的产生机制呢？

越轻的原子越容易成为超导体

日本东京大学的青木秀夫教授一直从事超导体等问题的研究，他说：“含有高压下呈金属态氢的物质可能在非常高的转变温度上变成超导体。实际上在50年前，理论上已经指出了这一点。”假如氢能够成为金属的话，理论上它的转变温度为481K（约208℃)。

晶格和电子间相互作用的强度对应于晶格运动的难易程度。原子越重，晶格就越难移动，所以电子对也就越难以形成。反之，原子越轻，格子运动得就越激烈，电子对就越是容易形成。实际上BCS理论中所说的转变温度的上限值，是根据比氢原子重得多的金属原子计算预测出来的。

如果使用的原子很轻，它们更容易受到电子的影响的话，根据BCS理论机制也能够在40K以上的高温状态下产生电子对。实际上，硫化氢的转变温度和BCS理论中预言的结果基本一致。

室温超导近在眼前？

在高压下，把转变温度再提高100K左右就能实现室温下的超导。实际上已经有理论预言了如果在硫化氢中加入少量的磷，同时使用250吉帕斯卡（250万大气压），其转变温度甚至有可能达到280K（约7℃）。此外，只要有适当的高压，转变温度达到室温以上的超导体候选者也有一些，而且世界上能够进行超高压环境进行试验的研究设备也有很多。如此说来，发现室温下变为超导体的物质也许只是时间的问题。

日本芝浦工业大学学长村上雅人教授一直从事超导研究，他在关于硫化氢的报告中说：“这个发现是基于高压条件下的，所以还不能直接进行应用。但是它向我们揭示了，身边的材料也能在BCS理论适用的机制下变成超导状态，这给予所有探索室温超导的研究者以莫大的勇气和希望。”

下一次发现的超导物质究竟会是什么？请继续关注超导体的研究吧。

（本文发表于《科学世界》2016年3期）