为什么不存在室温超导体？

Question

高温和低温超导体似乎并不罕见。但是，为什么没有超导体在室温下工作呢？似乎没有任何理论可以预测它们的发生，但似乎没有一种理论与它们的存在相矛盾。

Answer 1

诚实的回答是我们不知道

正如Moishe Pippik博士在他们的回答中指出的那样，我们对超导性只有一类超导体有很好的理论解释。诺贝尔奖得主BCS理论解释了为什么这类超导体存在高温问题，因为结构晶格中较高水平的振动会干扰机制超导电性。

但化学家已经在其他类别的化合物中发现了超导性，在这些化合物中，超导性的机理是不能这就是解释。

最初的（BCS）超导体大多是金属或合金。第一批“高温”超导体（如果-200°C的温度可以被认为是“高”的话）是陶瓷材料。最近的一些发现是不同类别的化合物。

最近许多化合物的问题是理论没有赶上实验。那里是理论尚未得到证实。我们从中得知一些观察到机制不能是原始超导体观察到的BCS机制。但我们甚至不能确定高温超导的机制是相同的在所有不同类别的新超导体中。

所以，至少在理论赶上实验之前，我们还没有一个令人信服的解释来解释为什么室温超导性还没有被观测到。但实验化学很有趣，在我们了解它们的工作原理之前，我们可能会发现一些室温超导体。

Answer 2

（对于其他人回答得很好的理论上的“为什么”，我的回答有点离题，但我认为OP的帖子中的特定措辞唤起了人们对这个特殊术语的一种相对常见的误解，如果不是针对OP，那么我将在这里针对其他可能需要它的人进行讨论。）

看起来像是高温和低温超导体并不罕见。但是，为什么没有任何超导体在室温?

我认为重要的是要知道，“低温”和“高温”是这方面的专门术语，与正常日常语言中的“室温”无关。

找到室温超导体并不是找到什么东西的问题之间高温和低温的例子，这实际上是一个发现“高温超高温”超导体的问题！

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“低温”和“高温”命名约定是超导科学史上不幸的副产品。

1911年，当汞冷却到4.15K以下时，首次发现了超导体，随后发现锡和铅等其他纯金属在类似的低温下具有超导性（分别为3.7K和7.2K）。此后，人们发现了各种其他纯金属超导体，但它们都是超导的，只是在这些非常冷的单数字开尔文温度范围内。此外，在接下来的几十年里，人们发现了不是纯金属而是化合物和合金的超导体，但即使是在破纪录的杰出人物中，超导电性的温度范围也低于~25K。

然后，随着1986年35.1K铜氧化物超导体的发现，一切都发生了变化。与之前23.2K的铌锗记录化合物相比，这是一个巨大的飞跃，但更重要的是，到1987年，其他科学家已经发现了一种类似的铜酸盐化合物，其超导温度高达93K。这尤其令人印象深刻，因为它是发现的第一种超导体材料，其沸点超过液氮的77K！

就在这个时候，出现了“低温”超导体与“高温”超导体的不幸命名。对于擅长在低于30K的温度范围内进行低温实验的超导科学家来说，这类在77K以上运行的新型超导体绝对令人汗流浃背！因此，不幸的是，“低温超导体”（用于老式的小于30K的物质）和“高温超导体”的命名约定（用于大于30K的新物质）最终成为科学界广泛使用的速记术语。

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这就是说，科学家们仍在做与以往一样的工作，试图发现创纪录的高温超导体。

20世纪10年代末，破纪录的超导体在液体氦沸点4.2K以上工作。

20世纪80年代末创下了液氮沸点77K以上的记录。

20世纪90年代的记录保持者使情况接近15万左右*
*（这比77K要好很多，但比194K干冰要冷得多）。

但是，与以往一样，让记录保持者在大约273K到283K的冰层温度范围内工作，或者理想情况下甚至更高的温度范围内，对于实际应用来说都是极其重要的。

Answer 3

对于经典超导Bardeen–Cooper–Schrieffer（BCS）理论电子以库珀对形式运动的状态。由于在量子水平上很难区分一个电子和另一个电子，所以它形成了一种凝聚态。当一个电子遇到一个缺陷时，它只是和它的配偶一起在它周围隧道。“因为配对增加了这个能量屏障，导体中振荡的原子会产生踢腿效应(在足够低的温度下体积很小)不足以影响整个冷凝液。"

话虽如此，有温度更高的超导体，还有一些做在室温下工作（嗯，也许在Hótel de Glace，使用警告在高压下。例如，$\ce{LaH10}$在170 GPa和-23°C的温度下。

Answer 4

不同的材料有不同的局限性。有时电荷载体的自旋配对不够强，有时所有配对的电子都形成局部共价键。

为了形成稳定的超导冷凝液，一种材料需要多种同时呈现的结构特征：

1. 自掺杂能力：如果不存在混合价元素，并且添加了常见的掺杂剂，则产生的不规则性将在冷凝液中产生弱链接。（在有序结构中添加一些常用掺杂剂的想法在实验上是不可行的）。
2. 极化绝缘装置，与冷凝液相互作用，以抑制冷凝液密度的热波动幅度。
3. 共价键可防止整个材料膨胀（因为冷凝液本身基本上是非键合的）。
4. 有效地降低了凝聚密度最高的地方的维数，以创建局部反铁磁类自旋配对。
5. 离域电子（相对于晶格）的高密度（凝聚态）：低密度允许热化。

以上所有内容都需要整合到一个单一的材料中。请记住，每个原子只有几个价电子，而使用较大的分子作为构建块由于前面提到的对可能的结构不规则性的敏感性而变得复杂，我们必须承认高温超导合成将是一个多步骤的过程。

更糟糕的是，因为转变温度敏感地依赖于载流子浓度，而载流子的浓度首先很难预测。

Answer 5

熵。

在室温和大气压下，任何材料的结构都太吵了。自旋不时翻转，原子振动。当前高温超导体在93 K（−180.2°C）下工作，因为它具有强大的晶体结构。

此外，我们知道在巨大的压力允许在室温下具有超导性。