超導是20世紀最偉大的科學發現之一，目前全世界已有10位科學家憑借超導研究成果共獲得5次諾貝爾物理學獎。近日，中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所與強磁場科學中心聯合科研團隊在超高壓條件下，首次在一種新的材料――二硫化鉬中觀測到了超導現象。神奇的超導體是什么，對人類生活有何影響?記者日前深入中科院合肥物質科學研究院，采訪了固體物理研究所副研究員遲振華。

神奇的超導現象

時速600公里的磁懸浮列車如果開通，那將意味著什么?從北京到上海只需要兩個半小時! 1月25日，600公里高速磁浮交通系統技術方案在青島通過專家評審。高速磁浮課題負責人、中車四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹，按照計劃，今年將研制一節樣機，2020年研制出時速600公里的高速磁浮樣車，并完成5公里試驗線驗證。超高速的磁懸浮列車，應用的就是超導技術。

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林?昂內斯意外發現：將汞(水銀)冷卻到4.17K(-268.98℃)時，它的電阻突然降為零。由于這一偉大發現，他獲得1913年諾貝爾物理學獎。遲振華介紹，超導是指電流可以毫無阻礙地通過導體，這種超級導體簡稱超導體。當超導體被冷卻到一定溫度時，電阻突然消失，即零電阻;同時外磁場的磁力線無法穿透到其內部，即完全抗磁性，物理學上稱作邁斯納效應。普通導體，即使冷卻到絕對零度附近也會有殘余電阻，在長距離輸電過程中會因發熱而造成能量損耗。

有專家測算，采用銅或鋁導線的輸電損耗約為15%，我國每年輸電損耗達1000億度。如果采用超導電纜在超導狀態輸電，每年節省的電量相當于數十個發電廠的發電量。超導體一旦進入超導態，就如同練就了“金鐘罩”“鐵布衫”，將其置于普通磁體產生的磁場中時，由于邁斯納效應，對外部磁力線的排斥作用會達到“懸浮”的效果，此即超導磁懸浮列車的工作原理。

高壓之下出奇跡

二硫化鉬在90萬個標準大氣壓左右的壓力條件下變成超導體，在130～220萬個標準大氣壓(接近地球外核壓力)的壓力范圍內，超導轉變臨界溫度可高達12K(-261.15℃)……

近日，中科院合肥物質科學研究院遲振華等研究人員，在自主搭建的高壓綜合測試平臺上，利用金剛石對頂砧產生的超高壓條件，通過低溫電阻測量發現了這一秘密，并通過密度泛函理論計算解釋了超導出現的微觀機制。相關研究成果刊登在國際物理類頂尖期刊《物理評論快報》上。審稿人稱贊，“該工作首次在一個新的材料中觀測到了超導電性，具有新的物理意義”。

遲振華介紹，在發現新超導體方面，高壓扮演著重要角色。元素周期表中最簡單的元素氫，在超高壓下的單原子金屬態被預言是室溫超導體。元素周期表中大多數元素在高壓下都是超導體，包括人們每天吸入的氧。 2015年，德國科學家發現具有臭雞蛋氣味的硫化氫在高壓下也是超導體，臨界溫度在-70℃左右，接近地球表面極寒地區的溫度，是目前報道的最高超導臨界溫度。實驗室生成高壓是利用一種被稱作金剛石對頂砧的便攜式裝置，其核心部分是一對經過切割打磨的寶石級金剛石。實驗中，通過外力驅動兩顆金剛石互相擠壓產生壓強，該壓強通過傳壓介質傳遞到樣品，目前實驗室產生的壓強紀錄超過500萬個標準大氣壓。

目前，通過層間插入金屬原子和施加靜電場偏壓兩種物理化學調控手段，分別可在二硫化鉬中誘導出超導電性，但迄今還沒有壓力誘導超導電性出現的實驗證據。高壓之下到底能否讓二硫化鉬變成超導體?為了實現二硫化鉬變成超導體的奇跡，中科院合肥物質科學研究院聯合科研團隊創造實驗條件，在超高壓下首次觀測到二硫化鉬的超導行為，相較于上述兩種手段，高壓手段具有干凈高效等明顯優勢。

新發現意味著啥

二硫化鉬是一種廣泛應用的固體潤滑劑和催化劑，同時又是一種半導體。 “如果通過某種手段能將二硫化鉬轉變成超導體，將會極大拓展它的應用前景。 ”遲振華表示，作為石墨烯的競爭者，單層二硫化鉬是一種具有直接能隙的半導體材料，有光致發光等優良的光學性能，在納米光電器件方面有光明的應用前景。

過去，科學家通過層間插入法和電場調控，雖然可以將二硫化鉬轉變成超導體，但有很多不足之處。遲振華透露，層間插入法是將堿金屬原子或過渡金屬原子插入到二硫化鉬層與層之間的間隙，電子從金屬原子轉移到二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導體;電場調控是在二硫化鉬表面滴一滴導電離子液體，通過施加偏壓電場調控電子填充二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導體。 “然而，前一種方法容易造成化學成分不均勻;后一種方法工藝比較繁瑣，而且僅表面的薄層區域變成超導體。 ”遲振華說，他們則另辟蹊徑，在超高壓下首次觀測到二硫化鉬具有超導性。

超導現象的發現源于人們對低溫世界的好奇，但超導如同量子糾纏一般，既是物理世界中最奇妙的現象，又是當今物理學中最大的謎團之一。超導的神奇特性，決定了其在電力輸運、醫療器械磁體、微波器件以及磁懸浮列車等應用方面具有獨特的優勢。 100多年來，超導研究在科學上的重要性及其巨大的應用前景，吸引了無數科學家的目光，目前已有10人因此獲得諾貝爾獎。

在鐵基超導研究領域，我國目前走在了世界的最前沿。2014年1月，中科大陳仙輝教授與中科院物理所合作完成的“40K以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”項目，問鼎2013年度國家自然科學一等獎。該研究首次突破40K(約-233℃)麥克米蘭極限溫度，創造并保持55K(-218.15℃)鐵基超導體臨界溫度最高紀錄。

“超導雖好，但大多數情況下需要在極低溫或超高壓等極端條件下才能實現，所以應用起來受到極大的限制。 ”遲振華表示，現在還沒有發現常溫超導體，一旦發現那將是一個顛覆性的突破，全世界的科學家都在朝這個 夢 想 努力。“下一步，我們將利用掌握的超高壓技術，在探索具有更高超導臨界溫度的超導體方面繼續努力，希望能取得更多更好的研究成果。 ”