科学家揭开高压下超导体的秘密

超导现象通常只在极低温度下发生，远低于日常环境温度，这一局限使其难以广泛实际应用。但随着富氢材料超导性的发现，情况开始改变。硫化氢（H₃S）在203开尔文（-70摄氏度）时变为超导体，而十氢化镧（LaH₁₀）则在250开尔文（-23摄氏度）时实现超导。这些温度远高于早期超导体，且高于液氮沸点，因此科学家将它们归类为高温超导体。它们的发现标志着向实现室温超导这一长期目标迈出了重要一步。

超导能隙及其重要性
超导现象的核心特征是超导能隙。这一特性揭示了电子如何结合形成超导态，也是区分超导体与普通金属的明确标志。理解超导能隙至关重要，因为它直接反映了材料内部电子的相互作用方式。若不测量这一能隙，科学家就无法完全解释材料为何会变为超导体，也无法阐明电阻消失的机制。

为何测量氢基超导体如此困难
尽管富氢超导体（如H₃S）十分重要，但对其研究却极具挑战性。这类材料只能在超过大气压一百万倍以上的极端高压条件下制备。由于这些极端条件，扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱等常用技术无法应用。因此，这些材料的超导能隙一直未能测得，这使得科学家对富氢化合物高温超导机制的理解存在重大空白。

新隧道技术突破瓶颈
为解决这一问题，德国美因茨马克斯·普朗克研究所的研究人员开发了一种可在极端高压下运行的平面电子隧道谱技术。这种新方法首次实现了对H₃S超导能隙的直接探测。借助该技术，研究团队清晰地描绘出富氢材料的超导态，攻克了多年来限制该领域发展的障碍。

测量结果揭示了什么
研究人员发现，H₃S具有约60毫电子伏特（meV）的完全开放超导能隙。他们还研究了其氘代物D₃S（氘是氢的同位素，比氢多一个中子），发现其能隙更小，约为44 meV。这种差异意义重大，因为它证实了H₃S的超导性是由电子与声子（材料原子晶格的量子化振动）相互作用驱动的。该结果支持了关于富氢化合物超导机制的长期理论预测。

这一突破为何重要
对美因茨的研究人员而言，这项成就不仅是技术上的成功，更为揭示氢基材料高温超导的根本起源奠定了基础。该研究的第一作者杜峰博士表示：'我们希望通过将这种隧道技术应用于其他氢化物超导体，能够找出实现更高温度超导的关键因素，最终开发出可在更实际条件下运行的新材料。'高压超导研究领域的领军人物米哈伊尔·埃雷梅茨博士（2024年11月去世）称这项研究是'自2015年发现H₃S超导性以来，氢化物超导领域最重要的工作'。马克斯·普朗克化学研究所高压化学与物理项目负责人瓦西里·明科夫补充道：'通过这项工作，米哈伊尔关于室温、中等压力下超导体的愿景又向现实迈进了一步。'

超导简史
超导是指某些材料在导电时电阻为零的特性。1911年，海克·卡末林·昂内斯首次在纯汞中发现了超导现象。数十年来，科学家们认为这种现象只能在接近绝对零度（-273°C）的温度下发生。20世纪80年代末，格奥尔格·贝德诺尔茨和卡尔·亚历山大·米勒发现了铜氧化物超导体（又称铜基超导体），它们在正常大气压下就能实现高温超导，这一发现引发了全球范围内的研究热潮。随着研究的深入，科学家们在常压下实现了约133 K的临界温度（Tc），高压下则达到164 K。此后，研究进展一度停滞，直到富氢化合物的出现才打破这一局面。

富氢材料突破极限
米哈伊尔·埃雷梅茨博士领导的研究团队在兆巴压力下发现H₃S具有203 K的超导临界温度（Tc），这一发现成为转折点。此后不久，在YH9（Tc≈244 K）、LaH₁₀（Tc≈250 K）等富氢金属氢化物中观察到了更高的临界温度。当前理论模型表明，在极端高压下，一些氢主导的体系可能实现室温以上的超导。

库珀对与超导能隙的意义
在普通金属中，费米能级附近的电子可以自由移动（费米能级是绝对零度时固体中电子所能占据的最高能级）。当材料变为超导体时，电子会形成所谓的库珀对，进入集体量子态。在这种状态下，成对电子一起运动，不会被晶格中的声子或杂质散射，从而消除了电阻。这种配对在费米能级附近形成了一个能隙，即超导能隙。该能隙代表打破库珀对所需的最小能量，并通过稳定超导态抵抗外界干扰起到保护作用。超导能隙是超导的标志性特征，其大小和对称性为理解电子如何相互作用和配对提供了关键线索，是揭示潜在超导机制的重要'指纹'。