探尋適用于民用市場的超導材料，可謂路漫漫其修遠兮。從能承載大量電能卻幾乎不產(chǎn)生額外能耗的超導發(fā)電機、超導直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗干擾力更強的信號通訊基站……一步步的探索中，超導技術(shù)正在等待下一個春天。

【資料圖】

撰文/記者 王雪瑩 圖文編輯/吉菁菁

采訪專家：

李濤（中國人民大學物理系教授）

3月8日，在美國物理學會年度會議上，羅徹斯特大學Ranga Dias教授宣布團隊在1GPa（約等于1萬個大氣壓）壓強下，镥-氮-氫體系材料實現(xiàn)了294K（開爾文），約零上21℃的室溫超導。相關論文3月9日凌晨正式發(fā)表在《自然》雜志上。

這一消息首先讓全球的物理學家們坐不住了——根據(jù)當天會議現(xiàn)場回傳的畫面和報道，該新聞一經(jīng)發(fā)布，聚集在會場外的圍到水泄不通的大批物理學界大咖們立刻騷動了起來，安保人員不得不提前阻止更多人進場。

▲在拉斯維加斯舉行的美國物理學會現(xiàn)場（圖源自網(wǎng)絡）

其次，消息也驚動了A股，有券商3月8日深夜召開專家會議，股民們更是連夜學習“室溫超導”。

#室溫超導這樣一個專業(yè)領域內(nèi)的學術(shù)詞匯不僅刷屏了各大社交平臺，就連朋友圈里平日只關心跑步和養(yǎng)生的朋友都紛紛跟進，并發(fā)出疑問：“室溫超導到底是什么？它和我們又有什么樣的關系呢？”

什么是 “超導體”

在回答“什么是室溫超導”這個問題前，首先需要先說說“超導體”這一概念。

超導（superconductivity）是材料在低于一定溫度時電阻變?yōu)?的現(xiàn)象。超導體，顧名思義就是超能導電的物體。

眾所周知，根據(jù)導電性能的不同，物質(zhì)大致可以分為導體、半導體和絕緣體。像鐵、鋁這樣的金屬物質(zhì)就是導體，電流電阻小，其中存在著大量可自由移動的帶電粒子，這些電子能在外電場的作用下"自由行走"，形成明顯的電流。正因如此，導體才容易導電；相反，像橡膠、塑料這樣的絕緣體，其電阻極大，帶電粒子因為被"困"在了原子周圍不能"自由移動"，因而不容易導電。至于像硅、鍺、砷化鎵這樣的半導體，則是性能介于前二者之間的物質(zhì)。

按照焦耳定律，就算導體的導電性能再好，有電阻就會產(chǎn)生焦耳熱，就會造成能量的額外消耗。想要電流在傳輸?shù)倪^程中沒有能量損耗，從理論上講，就得電阻為0，而超導體就是這么理想的一種材料。

在一定溫度下，它的電阻能變?yōu)?，傳輸電流時的損耗也就是0，不僅不會發(fā)熱而且電線兩端都不需要電壓。

除了0電阻0損耗，超導體的完全抗磁性特性也讓人心動。簡單來說，如果我們在超導體正下方放置一個磁體，當磁體產(chǎn)生磁場，超導體會因為內(nèi)部對磁場的絕對排斥，進而產(chǎn)生相反的磁場，并因此與磁體互相排斥。如果這種排斥力和超導體的重力能達到平衡，那么，超導體就能懸浮起來。

▲因為具有完全抗磁性特性而懸浮于空中的超導體（圖源：Quanta）

利用超導體的特性，人們可以用來“舉起”沉重巨大的車廂——諸如日本JR線的MLX系列低溫超導磁懸浮磁浮列車測試線，也可以用來長期監(jiān)測重力變化，觀測潮汐、探測地震等——諸如天文地理研究中常用的磁懸浮重力儀；至于超導體的“約瑟夫森效應”則是說，如果在兩個超導體之間夾一個絕緣層，當這個絕緣層的厚度薄到逼近原子那么薄時，電子就能直接穿過絕緣層，產(chǎn)生隧道電流現(xiàn)象。利用這一特性，人們不僅能做出速度更快、運行耗能更小的超導計算機，還能制作出靈敏度更高、噪聲更小的超導量子干涉儀。

換而言之，如果真有一種可以被大范圍商用的超導材料，這將是一場波及多個領域的重大變革。

被“卡住”的溫度

然而，之所以說超導體是理想材料，說明它真的很難找。截至目前，超導體的應用還主要停留在粒子加速器、超導量子干涉儀等特定的實驗場景中，而限制其大范圍商用的主要原因就是溫度。

在物理學中，一種超導材料進入超導狀態(tài)的溫度被稱為超導臨界溫度。1911年，荷蘭萊頓大學的科學家發(fā)現(xiàn)，金屬汞在4.2K以下電阻會突然消失，這是人類首次發(fā)現(xiàn)的超導現(xiàn)象。

此后百余年里，人類又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各類超導材料，如合金、金屬間化合物甚至有機化合物等。然而科學家在欣喜之余卻發(fā)現(xiàn)，想要保持這些材料超導性質(zhì)的臨界溫度普遍都很苛刻，基本都在50K（約-220℃）以下，如果沒有液氮或者液氦幾乎難以實現(xiàn)。正因如此，高壓就成了提高超導臨界溫度的主要途徑。

試想一下，如果一種材料要在零下幾百攝氏度的溫度下，或是100GPa以上的極端高壓下才能正常工作，那么將這種技術(shù)大范圍地應用于市場，它的可能性有多大——要知道，地球中心的壓強也就只有370GPa而已！要么依靠極端的制冷條件，要么依靠可怕的高壓手段，難道就沒有哪種材料，在室溫條件（300K，約27°C）下就能保持超導性質(zhì)？

尋找室溫超導體的道路無疑是漫長的。

在很長一段時間里，研究者們一直認為，超導轉(zhuǎn)變溫度不可能超過30K。1986年，銅氧化物高溫超導體的發(fā)現(xiàn)開啟了人類高溫超導材料的探索之路。銅氧化物高溫超導體不僅是首個轉(zhuǎn)變溫度超越液氮沸點的超導體（液氮沸點為77K，約-196℃，高于液氮沸點的轉(zhuǎn)變溫度為超導體的商業(yè)應用提供了非常便利的條件），而且人們普遍認為，銅氧化物高溫超導體的超導機理超越了傳統(tǒng)的電-聲子BCS理論的描述范圍，這為探索性能更加優(yōu)越的超導體提供了廣闊的想象空間。

2015年，德國馬克思·普朗克化學研究所發(fā)現(xiàn)，氫硫化合物在150GPa的條件下，在-70°C左右的溫度就出現(xiàn)超導現(xiàn)象。四年后，研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，十氫化鑭在高壓條件下進入超導狀態(tài)只需-23°C……

毫無疑問，在諸多科學家的不懈努力下，新材料的超導臨界溫度在不斷被刷新，但即便如此，依然無法擺脫超高壓這種缺乏實踐應用場景的前提。

一時間，人類對室溫超導的研究似乎進入了瓶頸。

▲2020年的研究中，羅切斯特大學使用了特殊的金剛砧，其主要構(gòu)成則是兩顆"尖對尖"的鉆石。（圖源：羅切斯特大學）

2020年，羅切斯特大學Ranga Dias團隊表示，他們嘗試將碳、硫、氫三種元素混合，利用激光照射和金剛石砧，在15°C左右（287.7K）的室溫條件下，成功讓材料進入了超導狀態(tài)。盡管實驗仍需高壓條件——金剛石砧的擠壓提供了267GPa的高壓，但該研究逼近室溫的臨界溫度仍然讓全世界為之轟動，國際權(quán)威期刊《自然》雜志都特意為其刊登了一期封面以示慶?！灰怪g，人類距離實現(xiàn)室溫超導的美好愿望好像觸手可及了。

然而人們的興奮還沒有持續(xù)多久，業(yè)界的懷疑就紛至沓來，眾多學術(shù)界大佬紛紛對數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑：“根據(jù)以往既有的理論，近年來已經(jīng)有實驗把超導臨界溫度做到非常逼近室溫，甚至比室溫高很多的也有，只是沒有被廣泛關注和正式發(fā)表而已?！?/p>

有實驗物理學家表示，Ranga Dias“論文數(shù)據(jù)過于漂亮了，超導零電阻的轉(zhuǎn)變非常陡峭，相關結(jié)果存在一系列的問題”，更有理論物理學家直言，其研究的 “數(shù)據(jù)結(jié)果有?；疚锢怼?。

最后，在巨大的爭議中，盡管遭到了Ranga Dias等9位作者的堅決反對，《自然》雜志還是于2022年9月做出了對該論文撤稿的決定。

常溫常壓的超導材料還有多遠？

此次，Ranga Dias團隊的研究如果能夠被認證，它對室溫超導研究的意義將是里程碑式的。雖然1GPa這個氣壓依然很高，相當于大氣壓的1萬倍，但是跟以往實現(xiàn)常溫超導的氣壓相比，已大幅減少。

然而受此前“撤稿風波”影響，期刊表示將對研究結(jié)果進行“更嚴格的審查”，同時此次Dias的論文公布了很多實驗數(shù)據(jù)和視頻，這些實驗條件并不難被重復，“結(jié)果很快就能見分曉”。

在接受媒體采訪時，中國科學院物理研究所研究員孫力玲表示，人們期待這件事情能夠被其它更多的實驗研究組所驗證，但研究結(jié)果需要推敲?！爸档米⒁獾氖牵珼ias報告中給出的樣品照片的顏色為藍色，與我們通?？吹降某瑢w具有的黑色和褐色等完全不同。如果其顏色是樣品的本色，說明即使將來其它研究組可以從實驗上證實其超導電性，這種超導體也不應該是我們以前所知道的超導體”，她說。

▲Dias最新論文中給出的實驗視頻截圖，樣品在環(huán)境壓力下為藍色。

中國人民大學物理系教授李濤對此表達了較為積極的觀點。“我個人認為如果被證實的話，這個發(fā)現(xiàn)的意義是很大的?！崩顫嬖V記者，盡管這個體系的超導機理也許仍然是傳統(tǒng)的電-聲子BCS機制，但這一發(fā)現(xiàn)無疑將促使我們思考這個傳統(tǒng)超導理論適用范圍的邊界究竟在哪里，尤其是它將為探索突破所謂 ‘麥克米蘭極限’的超導體提供重要的啟發(fā)（物理學家麥克米蘭曾根據(jù)電-聲子BCS理論推斷,超導體的臨界溫度存在上限。一般認為，目前常壓下電-聲子機制超導體的臨界溫度記錄是在MgB2中實現(xiàn)的39K，約-234℃）。他表示：“盡管超導體的臨界溫度并不是制約其應用的唯一因素，但是如果這個發(fā)現(xiàn)被確認，至少我們可以學到如何在常壓條件下創(chuàng)造提高臨界溫度的條件?！?/p>

在中國科學院物理研究所研究員羅會仟看來，基于目前的高壓合成測量技術(shù)，樣品產(chǎn)量非常低，且常壓下不一定穩(wěn)定，室溫超導不可能有大規(guī)模的應用。但如果未來不需要高壓即可合成超導材料，即使溫度沒有真正到室溫，在接近室溫情況下，用途也將非常廣。

事實上，盡管時不時有新的發(fā)現(xiàn)，但從總體上看，近十年來全球超導材料研究始終處于一個尷尬的瓶頸期，究其原因，“市場化”也許是最難跨越的一個阻礙——如何將實驗室中的新發(fā)現(xiàn)，實際應用到講求成本、看重效率、生產(chǎn)條件有限的商用市場？這個問題似乎很難回答。

“雖然實驗室陸陸續(xù)續(xù)找到了一些臨界溫度更高的新材料，但是受限于價格和性能等因素，這些新材料始終打不開商業(yè)市場，沒辦法投入實際應用”，一位不愿意透露姓名的業(yè)內(nèi)知情人說。

現(xiàn)如今，超導技術(shù)對于多數(shù)普通人而言還是非常神秘，甚至常常引發(fā)人們的“誤解”：提到超導技術(shù)，大家總會想到磁懸浮列車，但實際上，現(xiàn)實生活中大多數(shù)磁懸浮列車使用的是常規(guī)導體，像德國的和國內(nèi)上海的磁懸浮，這些列車跟超導技術(shù)并沒有太大關系。相比之下，反而是醫(yī)院里使用的核磁共振成像（MRI），尤其是1.5T以上的核磁共振，才是跟普通人距離最近的超導技術(shù)。

相比于CT成像等技術(shù)，MRI不僅沒有輻射，而且能為醫(yī)生提供內(nèi)容更加豐富、影響更加清晰的對比影像，尤其對于諸如腦補、脊髓等不同軟組織或是中樞神經(jīng)系統(tǒng)等部位的對比成像也更加好。如今，9.4T超高場MRI不僅在理論上能幫助人類檢查糖尿病以及心臟病，甚至還有望能夠幫助早期檢測阿茲海默癥，為人類解決"難以治療只能預防"的頑疾提供更好的技術(shù)支持。

探尋適用于民用市場的超導材料并不容易，盡管路漫漫其修遠兮，但人類尋找超導材料的腳步卻從未停下。從能承載大量電能卻幾乎不產(chǎn)生額外能耗的超導發(fā)電機、超導直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗干擾力更強的信號通訊基站……一步步的探索中，超導技術(shù)正在等待下一個春天。

出品：科普中央廚房

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