-70 °C 的超导材料是如何实现的？对超导研究有何指导意义？ 达也下山，天时不如地利，地利不如人呵呵 其实 H3S 的超导机制和传统的超导体机制没有什么不同，都是在 BCS 的电声耦合机制下的常规超导体。 电声耦合导致超导电性的机制，英文的维基百科有很好的描述，我之前的一个回答（高温超导发展到什么水平了？ - 达也下山的回答 ）也有简单介绍。简言之，就是通过电声耦合效应这个胶水，两个自旋相反的电子可以被“粘”在一起，形成库珀对。一个材料内有很多这样的库珀对，这些库珀在低温下会抱团“凝聚”在一起。要破坏掉这个凝聚态，单纯拆散一个库珀对是不行的，必须要同时拆散所有的库珀对才行，而这需要较高的能量。因此，在 Tc 之下，材料内部，电子以库珀对的形式形成了“人民战争的汪洋大海”，势不可挡。这就是当年 John Bardeen, Leon Neil Cooper, and John Robert Schrieffer 提出了著名的 BCS 超导理论的物理图像。 对于 H3S 的高 Tc，我们可以从 BCS 理论的一个公式中定性来理解： 这个式子中，ED 是 Debye frequency， N(0)是费米面处的电子态密度，V 是电声耦合的势能。 对于绝缘体和半导体， N(0)=0，也就是上面式子中 e 的指数上分母为 0，-1/ N(0) 这一项就趋向负无穷大，于是上面式子的等号右边就趋向 0，这样式子的左边 Tc 也只能趋于 0。而对于金属， N(0) 不为 0，这样 Tc 就可以是一个非 0 的值。所以，这个式子告诉我们绝缘体和半导体不能超导，而金属才能超导。 ED 是 Debye frequency （Debye frequency），它的定义是：The Debye frequency of a crystal is a theoretical maximum frequency of vibration for the atoms that make up the crystal， 在材料中原子振动可以达到的最高频率。简单从上面的式子看，在金属中，Debye frequency 越大 Tc 就会越高。于是，一个非常直接的提高 Tc 的想法，就是去找原子振动频率越高的材料。 可以想象，重量越轻的东西，振动就越快。自然界中什么原子质量最轻呢？那就是氢原子。但氢在自然界中是气态的。上世纪人们提出，如果对氢气加高压，把它压成固态，就可以得到金属氢，那就可以得到一个很高 Tc 的超导体了。 然而，实验条件的限制，金属氢一直没有被制备出来。所以人们就在想，不一定直接从氢气入手，一些富含氢的物质（比如甲烷 CH4）金属化后，也可能得到高 Tc 的超导电性。于是人们就对这些材料进行了高压研究。 去年，吉林大学崔田老师他们就对 H2S 这个散发臭鸡蛋气味的气体进行了理论计算，他们预测，在高压下 H 和 S 会以 H3S 的形式稳定存在。根据电声耦合计算的结果，这种 H3S 可以超导，Tc 会达到 200 多 K。实验工作者对 H2S 加压，真的就发现了 200 多 K 的超导电性，而且超导相真的就是 H3S。这一下突破了过去超导 Tc 的记录。 世界上最冷的地方在南极洲，年平均气温在 -25℃ 以下，绝对最低气温达 -88.3℃，也曾出现过 -94.5℃的记录。目前发现的高压下 H3S，在南极已经可以算是室温超导体了。但是别忙，这种超导电性必须要在 150 GPa 下才能实现。150 GPa 是个什么概念呢？一只高跟鞋，鞋跟是 1 厘米见方；一头大象大约 7~8 吨重。一头大象背上还背着近 200 只大象，然后穿上这只高跟鞋，跳起来用鞋跟跺你一下，那就是大概 150 GPa 了。 在这种情况下，一般人可能认为这种超导体还是镜花水月，没什么意义。不过，这个工作（以及去年通过激光诱导实现了百万分之几微秒的室温超导的工作），对于我们做凝聚态物理的人来说，意义是非凡的： 1、室温超导体，可以说是每一个凝聚态物理人的梦想。但超导从 1911 年发现至今已有 100 多年了，发现的超导材料不计其数，但从没有发现过超导 Tc 接近室温的材料。这种情况下，虽然进行超导材料探索的人还是很多，但对于室温超导体是否存在这个事情，我估计很多人内心里都没有底。去年的这两个工作，无论是 150 GPa，还是百万分之几微秒，虽然离真正可用还隔得很远，但至少它告诉我们，室温超导体的确是可能存在的，它就在那里等着人们去想办法实现。从一个不知是否能实现得愿景，到一个虽然不近但是的确能看得到的希望，这对于从事这一领域的人来说，是非常鼓舞人心的。上周刚从苏州的全国超导会议上回来。谈起这个工作，大家都非常振奋。 2、1968 年，麦克米兰总结了一个比上面那个式子更为精确的 Tc 计算公式。通过对一些已发现的超导体的经验性地分析，人们认为，基于电声耦合机制的传统超导体，超导 Tc 不会超过 39 K，39 K 这个值被命名为麦克米兰极限。H3S 超导 Tc 达到 200 K，也使得人们要解放思想，去好好思考一下这个现象的原因。 3、上世纪，有一个叫做 Bernd T. Matthias 的物理学家一生当中发现了几百种超导体（这是全世界任何一个科学家都赶不上的成就）。他有几条关于发现新超导体的定律（Matthias rule）： 1.High symmetry is good, cubic symmetry is best. 对称性越高越好。 2.High density of electronic states is good. 态密度越高越好。 3.Stay away from oxygen. 远离氧化物。 4.Stay away from magnetism. 远离磁性。 5.Stay away from insulators. 远离绝缘体。 6.Stay away from theorists. 远离搞理论的！！ 随着时间的推移，人们发现了层状的（对称性低）、母体是反铁磁 Mott 绝缘体的（态密度低、磁性、绝缘体）的氧化物非常规超导体，Matthias rule 也不再适用。但对于他提的最后一条，我们还真没有太好的事实去反驳。长期以来，人们对于新超导体的发现，基本都是碰运气的。谁偶然发现了一种超导体，大家就在含有那些元素，结构类似的材料中疯狂探索，探索完了，超导的研究也就会沉寂很长世间。在探索新超导体的过程中，理论工作者起的作用微乎其微。 2010 年，I. I. Mazin 在 Nature 上对铁基超导体写的评论文章上面提出 Matthias' rules 要修正。根据高温超导体的一些特性提出了替代的 rules 后，对最后一条他小心地替换成：“enlist theorists, at least to compute the Fermi surfaces (I hope that theorists are more useful than this but do not dare insist).” 虽然那时候理论家们对解释超导机制做了很多工作，但是对于指导实验探索新超导体还是很无力。 而 H3S 这个工作，是第一个理论精确指导实验发现高温超导体的工作，实现的材料（H3S）、途径（对 H2S 加高压）、超导 Tc（~200 K）都在崔田老师他们的工作中得到了准确的预言。所以今年 I. I. Mazin 在 Nature 上对这个发现写评论的时候，重点提出“Moreover, this is the first time that a previously unknown material predicted to be a high-temperature superconductor has been experimentally confirmed to be one.” 兴奋之情溢于言表。这至少也算是人类在超导这个领域中，认识规律，利用规律，引导自己取得收获的一个突破吧。 查看知乎原文
