高溫超導性的探索一直是凝聚態物理領域最引人入勝的課題之一。在過去的幾十年里，科學家們不斷挑戰材料的物性極限，試圖在更高的溫度下實現超導態。近年來，富氫化合物在高壓下的超導電性取得了突破性進展，特別是硫化氫（H?S）在高壓下展現出的高達203開爾文（約-70°C）的超導臨界溫度（Tc），極大地激發了人們對高壓下氫基材料超導機制的研究熱情。然而，要深入理解這些材料的超導特性，并最終實現室溫超導的宏偉目標，僅僅知道Tc是不夠的。超導能隙作為超導態最本質的特征之一，直接反映了超導電子對的束縛能，其大小和對稱性蘊含著超導配對機制的微觀信息。測量并解析高壓下材料的超導能隙，對于揭示其超導起源具有決定性作用。

然而，在高壓環境下對材料進行精細的電子結構測量是極具挑戰性的。特別是隧穿譜學，作為一種能夠直接探測材料態密度變化的強大技術，在常壓下廣泛應用于超導能隙的測量，但在兆帕級的超高壓環境中實施卻異常困難。傳統的隧穿結制備和測量技術在高壓下難以穩定工作，這成為了限制高壓超導體微觀研究的一個重要瓶頸。正是在這樣的背景下，題為“Superconducting gap of H?S measured by tunnelling spectroscopy”的論文，通過開發創新的實驗技術，首次成功測量了高壓下H?S的超導能隙，為理解這種極端條件下的高溫超導性提供了直接的實驗證據。

這篇發表在《自然》雜志上的研究，其核心突破在于在高壓金剛石壓砧池（DAC）中成功構建并進行了隧穿譜學測量。研究團隊沒有采用傳統的易受壓力影響的薄膜隧穿結，而是巧妙地發展了一種適用于高壓環境的平面隧穿結技術。通過這種技術，他們能夠在承受巨大壓力的同時，實現隧穿電流的穩定測量，從而獲取H?S在超導態下的微分電導譜。

隧穿譜學測量的原理是基于隧道效應：當兩個導體之間存在一個極薄的絕緣勢壘時，電子可以穿過勢壘從一個導體隧穿到另一個。如果在其中一個導體是超導體，其電子態密度在費米能級附近會打開一個超導能隙（Δ），態密度分布呈現出獨特的特征，包括能隙邊緣的相干峰和能隙內的零態密度區域。測量隧穿電流隨偏置電壓（V）變化的微分電導（dI/dV），可以直接反映超導體準粒子態密度隨能量的變化。通過分析dI/dV譜線的形狀，可以確定超導能隙的大小（2Δ）以及超導配對的對稱性。對于典型的s波超導體，dI/dV譜在零偏壓附近會呈現出V形或U形的低電導區域，并在±Δ處出現明顯的峰（相干峰），這與BCS理論預測的超導態密度分布相符。

在高壓下進行這樣的測量，其難度可想而知。金剛石壓砧池需要在狹小的空間內對樣品施加巨大的壓力，同時還需要引入電極進行輸運測量。制備一個穩定且具有良好隧穿勢壘的結構，并在如此苛刻的條件下保持其完整性和電學性能，是這項研究的關鍵挑戰。該研究團隊克服了這些技術難題，成功地在H?S樣品上實現了可靠的隧穿譜學測量。

他們的實驗結果清晰地展示了H?S在超導態下的隧穿譜特征。在低于其Tc的溫度下，測得的dI/dV譜在零偏壓附近呈現出典型的超導能隙結構：低電導區域和兩側的相干峰。通過對這些譜線進行詳細分析和擬合，研究人員確定了H?S的超導能隙大小。他們發現，H?S的隧穿譜可以很好地用一個單一的s波Dynes模型來描述，這表明H?S的超導能隙是各向同性的，即在費米面上沒有節點，符合s波配對的特征。測得的超導能隙值2Δ大約為60 meV。

這項研究的另一個重要發現是測量了H?S的氘代物D?S的超導能隙。氘是氫的同位素，質量是氫的兩倍。在基于電子-聲子相互作用的超導理論中，Tc與材料的離子質量M的平方根成反比（即同位素效應，Tc∝M^?α，其中α為同位素效應指數，對于簡單的聲子機制α≈0.5）。超導能隙Δ也與Tc緊密相關。因此，測量H?S和D?S能隙的變化是檢驗電子-聲子相互作用是否是超導機制的關鍵證據。研究發現，D?S的超導能隙2Δ約為44 meV，明顯小于H?S的能隙。這種同位素引起的能隙變化，與電子-聲子耦合機制的預測高度一致，有力地支持了在高壓下H?S的高Tc是由強大的電子與晶格振動（聲子）相互作用驅動的。

這項研究成果具有重大的科學意義。首先，它首次直接提供了在高壓下H?S超導能隙的實驗數據，填補了實驗測量的空白，為理論計算提供了重要的對比和驗證。長期以來，理論預測H?S是電子-聲子耦合機制下的高溫超導體，其高Tc源于輕質量氫原子在高壓下形成的特殊晶體結構以及由此產生的強烈電子-聲子耦合。隧穿譜學對能隙的直接測量以及同位素效應的觀察，為這些理論預測提供了堅實的實驗基礎。

其次，這項研究展示了在高壓下進行隧穿譜學測量的可行性。所開發的平面隧穿結技術為今后研究其他高壓下的新奇超導體（包括其他富氫化合物、含氫化物以及其他在高壓下表現出特殊性質的材料）的超導能隙和配對機制開辟了新的道路。這對于全面理解高壓下的物質性質以及探索非常規超導機制至關重要。

最后，這項工作也為實現室溫超導的最終目標提供了寶貴的啟示。確認H?S的高Tc是基于傳統的電子-聲子耦合機制，表明在極端條件下，即使是已知的相互作用方式也可能導致遠超預期的超導溫度。這提示我們，在尋找室溫超導材料時，除了探索新穎的配對機制，也應繼續深入研究如何在適當的材料結構和條件下最大化電子-聲子耦合強度。