本文的故事發布在一年多以前，但它有助於你更深入了解蘭加·迪亞斯團隊研究超導的詳細過程，更深入理解一項顛覆性科學發現的種種不易。
在這個金剛石壓砧中，一種碳、硫、氫元素的化合物被擠壓於兩塊小鑽石中間，在室溫下展顯示出超導跡象
在紐約州羅切斯特，蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）每年會摧毀大約價值10萬美元的鑽石，將它們壓成灰色粉末，再丟進垃圾桶。這筆錢花得值得。這些超級堅硬的鑽石的犧牲是為了實現數代科研人員追逐的目標。
這些直徑2毫米的鑽石在犧牲之前，成對充當了微型虎鉗中的鉗口。2020年秋，任職於羅切斯特大學的迪亞斯與同事一起用這套裝備對一些碳元素、硫元素和氫氣施壓，達到接近地球中心壓力的程度。
巨大壓力將元素重新整合為碳硫氫化物（CSH），據報導，這是第一種能在室溫下無損失地傳導電流的物質——此處的室溫自然是偏涼快的。那項實驗幾乎像所有這類研究一樣終止：
鑽石鉗口突然爆裂，全球唯一的室溫超導體消失於一陣輕煙。
迄今為止，還沒人比得上這份功績。但其他高壓物理學家團隊也在自行壓碎鑽石作為嘗試。那些研究人員已經發現，好幾種其他富含氫的材料在相對較高的溫度下展現出超導性。
那些材料被合稱為氫化物，但那些材料除了含有氫元素，還有鑭或釔之類的其他元素，和迪亞斯的碳硫氫化物相比，仍然需要略微冷卻（有時是大幅降溫）。
這些氫化物已經變革了超導性研究，顯示出超導性能在過去僅能在夢想的室溫下發生，過往的超導體只有在冷卻到-100℃以下才顯示出超導性質。
然而迄今為止，那些材料僅能製造出零點幾克的量，只有在受到極強壓力的擠壓時才具有超導性。這一限制使得那些材料完全不切實際，無法用於現實世界。於是一項新目標應運而生：
創造出能在壓力消失後仍保持性質的室溫超導體
這類超導體材料將使得各種各樣的進展成為可能，比如不會以熱能形式損失大量能量，或者運送大量電力負載卻沒有慣常損耗的輸電線，能省下數十億美元和兆噸級的碳排放量。
「這會是一個挑戰。」加州大學伯克利分校的超導理論家斯蒂文 · 路易（Steven Louie）說，他沒有進行氫化物超導體研究，「但這些是讓人激動萬分的發展。長期以來，人們認為超導體不可能達到室溫水平。但氫化物似乎可以顛覆這一觀念。」
但並非每個人都信服研究結果。「很容易受到愚弄。這些是在強壓力下，在極其小的樣品上完成的困難實驗。」加州大學聖地亞哥分校的理論物理學家豪爾赫 · 赫希（Jorge Hirsch）說道，他是氫化物超導性主張的首要批評者，「一些研究是在進行中，但我也認為，研究的結果不是有意思的物理學新發現，而是實驗性的人工產物。」
「每一次發生這種範式轉移（paradigm shift），人們多會產生排斥態度。」迪亞斯回應道。他同意赫希的一項觀點，高壓試驗確實難以成功完成，可能產生一些難以解讀的實驗結果。但迪亞斯和其他氫化物研究者對他們的觀察很自信。理論預測和初步實驗結果都表明，大幅降低對壓力的需求是可行的，於是科學家們向前推進。
儘管擁有鑽石，但迪亞斯的實驗室並非首飾盒。它坐落在一座20世紀60年代建成的、方方正正的四層樓建築的底樓。實驗室的核心是一個拳頭大小、紫銅色的圓柱體，名叫金剛石壓砧單元。
一旦裝上起始材料並旋緊閉合，這個單元就放入一隻固定在桌上的藍色小金屬盒。金屬盒內有一台低溫冷卻器，用液氦來精確控制溫度。桌上的鏡子引導雷射從窗口射入金剛石壓砧單元內。
為了獲得超導體，研究人員利用增壓惰性氣流驅動鑽石，在鑽石的尖頂產生放大許多倍的力。一道綠色雷射瞄準穿過鑽石，引發化學反應，將碳、硫和氫原子結合為晶形固體。接著，相同的雷射依靠拉曼光譜學探測材料，揭示出哪些化學元素彼此結合。放置在鑽石之間的迷你導線追蹤材料的電阻，以便偵測超導性標誌性的電阻驟降為零的特徵。
實驗不間斷地持續進行——有時長達數周——直到無可避免地噼啪聲再度響起，又一對鑽石變成粉末。
迪亞斯是斯里蘭卡人，為了在華盛頓州立大學讀博而來到美國，研究爆炸如何將材料衝擊成新形狀。他之後到哈佛大學，跟著物理學家艾薩克 · 西爾韋拉（Isaac Silvera）做博士後工作，內容是利用強大壓力將氫氣轉變成金屬，他們猜測那種材料也許是超導的。
此前已有其他研究人員宣稱見過金屬氫的跡象，但那些結果仍然有爭議。2017年，迪亞斯和西爾韋拉在《科學》發表文章，說他們已經成功地將氫俘獲於金剛石壓砧單元，將壓力提高到495 Gpa，是大氣壓的480多萬倍，將氣體轉變為銀色的固體。
該研究結果引起許多讚揚和反對。「垃圾這個詞不足以形容這項研究。」另一位專家在那時說道。批評者警告說，哈佛大學的這對搭檔僅僅發表了一個研究結果，沒有複製性研究。但迪亞斯和西爾韋拉堅信他們的研究結果。西爾韋拉還說，他希望在不久後發表另外的正面結果。
就算金屬氫真實存在，被確定具有超導性，但這種物質僅存在於數百萬個標準大氣壓下，不會在現實世界造成多少影響。
「正為此故，證明氫化物（氫化物有望在更低壓力下實現超導性）擁有超導性是重要得多的挑戰。它會產生巨大影響。」迪亞斯說。
最初的超導體由荷蘭物理學家海克 · 卡末林 · 昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現於1911年，就是一塊塊諸如汞和鈮的元素金屬被冷卻到絕對零度以上幾度。在如此低溫下，電子行進時不再碰撞原子，也就不再將部分能量讓渡給熱能，於是電阻消失了。
1933年，德國物理學家瓦爾特 · 邁斯納（Walther Meissner）注意到超導體的另一項特徵：超導體排斥磁場。這個現象成為一個謎團，一直到1957年，才由美國物理學家約翰 · 巴丁（John Bardeen）、利昂 · 庫珀（Leon Cooper）和羅伯特 · 施里弗（Robert Schrieffer）解釋第一類超導體的原理。
他們的BCS理論提出，電子颼颼地穿過超導金屬，導致材料原子晶格變形，帶正電的原子核受其吸引，微微靠近它。電子周圍的電荷再分布，吸引另一個電子到它後面，類似於一個人躺在床上的重量吸引第二個人靠近他。
這個效應解釋了電子的無阻抗流動。對磁場的排斥被稱為邁斯納效應，是自由流動的電子帶來的副作用：外部磁場遇到超導體時，磁場在超導體內引起電流軸轉，這就生成它自身的磁場，抵消了外部磁場。
下一個大進展出現於1986年，IBM公司蘇黎世科研實驗室的物理學家格奧爾格 · 貝德諾爾茨（J. Georg Bednorz）與亞歷山大 · 米勒（K. Alexander Müller）發現，氧化銅陶瓷（被稱為銅酸鹽）能夠在30K溫度下顯示超導性。這個超導轉變溫度（即臨界溫度Tc）很快就在其他銅酸鹽實驗中被推進到77K以上，這個溫度用液氮就能達到。
這個發現為更廣闊的應用開啟了大門，因為液氮價格比冷卻第一類超導體所需的液氫便宜得多。
到2005年時，科研人員已經在高壓下用汞基銅酸鹽將超導轉變溫度推進到166K左右。但之後超導轉變溫度的大進軍戛然而止。
通向高溫超導體的另一條潛在路徑在召喚：氫。
1968年，康奈爾大學的理論物理學家尼爾 · 阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）提出，將氫氣置於強大壓力下，會讓它轉變成能夠顯示超導性的固體晶格。他的構想未受重視，因為當時的虎鉗未能生成必要的壓力；直到方案改進出現後，包括西爾韋拉研究組在內的團隊才能嘗試製造固體金屬氫。然後就開啟了一條全新的研究路線。
2004年，阿什克羅夫特提出，為氫氣添加其他元素也許能增加「化學預壓縮」，在更低壓力下穩定氫晶格。製造超導氫化物的競賽就此開始。
2015年，包括馬克斯 · 普朗克化學研究所物理學家米哈伊爾 · 埃雷梅茨（Mikhail Eremets）在內的科研人員在《自然》中報告，一種硫氫混合物在加壓到155Gpa時，在203K溫度下出現超導性。
在之後的3年裡，埃雷梅茨和其他研究者將超導轉變溫度提高到250K，用的是含有重金屬鑭的氫化物。接著出現了迪亞斯的碳硫氫化物，他們於2020年底在《自然》雜誌報告了研究成果，於267Gpa的壓力下，在287K的溫度（13.85攝氏度）——也就是葡萄酒酒窖的溫度——下實現超導。
2021年又有多個研究團隊宣布，他們用釔氫化物在相近的溫度下實現超導。「進展得十分快。」羅馬大學的理論物理學家莉莉亞 · 博埃里（Lilia Boeri）說道。
一些研究者爭辯說，進展太快了。赫希和其他人發出警告，高壓下的研究結果並未實際展現超導體的一項關鍵特徵：對磁場的排斥。目前尚未有人想明白如何在金剛石壓砧內測量邁斯納效應。
「已經有人做過實驗，用聰明的方法來顯示內部的磁場降低了。」加州大學伯克利分校的一位理論物理學家馬文 · 科恩（Marvin Cohen）說道。但那個發現對於該領域的許多物理學家來說還沒有說服力。
朱經武是休斯頓大學德州超導中心首位主任，也是銅酸鹽超導性論戰的老手。他如此說道：「我是老派的人，我一直想要親眼見下邁斯納效應，我尚未見識過。」
赫希說，另一個問題是電阻數據。當外部磁場施加到超導體上，超導轉變溫度一般會下降，磁場越強，下降幅度越大。在溫度相對電阻的曲線圖中，隨著外部磁場增強，通常顯示出超導轉變溫度時電阻下降的那條曲線變得水平。超導轉變溫度越高，超導體顯示出的曲線越平。氫化物是一種超導轉變溫度最高的超導體，「但在氫化物中見不到這個現象」，赫希說，「要麼這是非標準的超導體，要麼這根本不屬於超導體。」
埃雷梅茨的團隊發現了多種氫化物超導體。他說赫希弄錯了，至少是在埃雷梅茨研究的氫化物方面。他的研究團隊於2019年《自然-通訊》發表的關於氫硫化物超導體的論文中有一張圖，顯示超導轉變溫度隨著外部磁場增強而下降，意味著電阻如對超導體的預期一樣變平。「簡單來說，他遺漏了這張圖。」埃雷梅茨說。
迪亞斯補充說，在一些氫化物中，電阻方面的表現也許不如預期，因為金剛石壓砧中的微小樣品也許純度極高。其他超導體的電阻曲線隨著外部磁場增強而變平實際上是雜質帶來的結果，雜質可能影響材料的性質。高純淨的超導體（例如經典超導體二硼化鎂）顯示出電阻的驟降。「我們的結果符合二硼化鎂的情況。」迪亞斯說。
赫希對於迪亞斯的CSH材料有另一項擔心：它的磁化率——對材料處在一個外加磁場中磁化程度的度量值——表現得和其他超導體不一樣。
為了測試磁化率，科研人員在潛在的超導體冷卻的同時，對其施加磁場。在標準的超導體中，材料冷卻到超導轉變溫度以下時，磁化率下降，隨著溫度繼續下降，磁化率一直保持低狀態。
然而，迪亞斯報告CSH材料冷卻到超導轉變溫度以下時，磁化率先是下降，但隨著冷卻的繼續，磁化率會再度上升。
「超導體沒有那種表現。」赫希總結說，要麼是數據錯了，要麼材料不具備超導性。他之前請求論文作者、《自然》編輯和資助該項研究的美國國家科學基金會提供原始數據，但到目前為止尚未拿到數據。「這讓我十分沮喪。」赫希說。
迪亞斯說，他的團隊正在提交專利申請書，所以律師叫他暫時不要公開數據。他補充說，超導轉變溫度以下磁化率的明顯上升是人為現象。那種上升在高壓試驗中並非不尋常現象，因為高壓產生的背景信號能壓過實驗信號。
物理學家蘭加·迪亞斯用裝於盒子中的金剛石壓砧來尋找新的超導體。然而，他的目標是一種能在壓砧外繼續存在的室溫超導體
迪亞斯和其他研究者承認批評方的一個觀點：至今為止，在金剛石壓砧內不可能顯示出邁斯納效應。然而，研究人員表示，一種被稱為交流磁化率的測量技術也達到了同樣的效果。
這項技術是在樣品旁邊用微小的磁線圈生成振盪磁場，再觀察材料中任何感應電壓變化。隨著超導體被冷卻到低於超導轉變溫度，感應電壓一般會顯示出下降。氫化物有一樣的表現。
「我們看到的所有證據都符合BCS模型。」迪亞斯說道。
斯蒂文 · 路易確信氫化物會通過檢驗，符合對超導體的要求，並指出多個團隊報告了硫氫化物（三氫化硫）、鑭氫化物和釔氫化物擁有超導性的證據。
伊娃 · 楚雷克（Eva Zurek）是紐約州立大學水牛城分校的理論化學家，她說：「對我來說，那很有說服力。」
然而，就算其他氫化物實驗者猶豫地認可迪亞斯的室溫超導體，但這依然是一次性的結果。「過去6個月裡，我們一直在試圖複製實驗，但到現在為止我們尚未見到成果。」埃雷梅茨說。
大阪大學物理學家清水克哉（Katsuya Shimizu）曾製造出三氫化硫，對此也很慎重，說：「在我重複實驗結果之前，我不會相信。」迪亞斯要求大家有點耐心。「解決這個問題需要時間，」他說，「我們花費了幾年時間來做出結果。不能指望其他人用數周時間就做出來。」
「假若CSH結果確實屬實，那就產生一個重要問題：可否達到常壓？」迪亞斯問道，「這是我們目前在推動的研究。」
第一個任務會是尋找其他在室溫下展現超導性的氫化物。在普通超導體中，超導轉變溫度依賴於兩個主要因素。第一個因素是材料中沒有緊緊圍繞個別原子，而是自由傳導的電子豐度。一般來說，傳導的電子越多越好。第二個因素是晶格中原子的振盪得有多快——晶格振動本質上將一對對電子連接起來，越快越好。氫是最輕的原子，振盪得最快，但氫原子晶格並非十分剛硬，很容易裂解。於是科學家不得不施加外部壓力來避免氫原子飛散。
為了提高超導轉變溫度和降低外部壓力，科研人員需要一些化學配方，要麼是給氫原子晶格添加一些電子，要麼是將氫原子關入剛度更高的晶格中。研究者已經報告用這兩種策略取得成功，產生兩類擁有截然不同的三維結構的氫化物。第一類氫化物包括由氫原子構成的重複籠狀結構，每個籠子裡有一個富含電子的金屬原子，譬如鑭或者釔。第二類氫化物添加輕質元素，目標是直接與氫原子連接，創造出連鎖原子的連續網絡。
迪亞斯和同事們，包括羅切斯特大學的理論物理學家胡素興（Suxing Hu）在內，他們相信CSH材料形成這樣一個連鎖網格。在2021年5月13日發布的預印本中，包括伊利諾伊大學芝加哥分校化學家拉塞爾 · 赫姆利（Russell Hemley）在內的研究人員用X光照射一份迪亞斯團隊在金剛石壓砧內製造出的CSH樣品。在至少178Gpa壓力下，當鑽石破裂時，赫姆利團隊看見了常規的硫原子結晶形態的證據。
胡素興和同事們接著利用赫姆利的數據來為CSH作結構建模。團隊發現，CSH最可能採用與三氫化硫相同的立方結構，三氫化硫的超導轉變溫度比CSH材料低了80K。因為比起硫原子或氫原子，碳原子傾向與毗鄰原子建立更強的連接，所以碳原子也許是在室溫下讓晶格合在一起的原因。
為了進一步降低壓力，胡素興、迪亞斯和其他研究人員提出添加更多的碳或者硼元素。事實上，博埃里與同事們在7月15日《物理評論》上發表了一篇論文，預測氫硼化鑭（LaBH8）能在50GPa壓力下在126K溫度下顯示超導性。其他專家早已預測，諸如鈣氫化物或錒氫化物之類的氫化物應該能在一個比CSH材料所需壓力小不少的壓力下，在接近室溫的溫度下顯示超導性。然而，博埃里仍然說：「我不確定我們能否達到常壓。」
迪亞斯的看法更加樂觀。2021年3月的美國物理學會會議上，迪亞斯說他掌握初步證據，一種室溫下的氫化物超導體在最低為20GPa的壓力下保持穩定，這個壓力不足CSH材料所需壓力的1/10。但因為他和團隊正在為那個發現申請專利和收集更多數據，他不願意透露那種材料是什麼。他預測：「假如該結論站得住腳，它會是向前邁出的重要一步。我想我們很快就會實現目標。」
迪亞斯對此寄予厚望。他成立一家名叫異世材料的公司，假如發現任何在接近常壓條件下見效的超導體的話，就由這家公司來製造氫化物超導體，並將之商品化。如果科研人員能進一步降低壓力到10GPa以下，那麼他們就能拋棄金剛石壓砧。那時就會開啟製造出更大的氫化物樣品的大門，允許科研團隊在無法獲取金剛石壓砧的情況下進入這場爭論，也讓直接探測邁斯納效應成為可能，懷疑論者們依然在等待看到這個代表超導性的信號。
始於碎鑽石的熱潮可能演變成淘金熱。
資料來源：
FEELING THE PRESSURE
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