《自然》发表室温超导论文引爆物理界！超导应用的春天真的快来了吗？
撰文/记者 王雪莹 图文编辑/吉菁菁
采访专家：
李涛（中国人民大学物理系教授）
3月8日，在美国物理学会年度会议上，罗彻斯特大学Ranga Dias教授宣布团队在1GPa（约等于1万个大气压）压强下，镥-氮-氢体系材料实现了294K（开尔文），约零上21℃的室温超导。相关论文3月9日凌晨正式发表在《自然》杂志上。
这一消息首先让全球的物理学家们坐不住了——根据当天会议现场回传的画面和报道，该新闻一经发布，聚集在会场外的围到水泄不通的大批物理学界大咖们立刻骚动了起来，安保人员不得不提前阻止更多人进场。
▲在拉斯维加斯举行的美国物理学会现场（图源自网络）
其次，消息也惊动了A股，有券商3月8日深夜召开专家会议，股民们更是连夜学习“室温超导”。
#室温超导这样一个专业领域内的学术词汇不仅刷屏了各大社交平台，就连朋友圈里平日只关心跑步和养生的朋友都纷纷跟进，并发出疑问：“室温超导到底是什么？它和我们又有什么样的关系呢？”
什么是超导体
在回答“什么是室温超导”这个问题前，首先需要先说说“超导体”这一概念。
超导（superconductivity）是材料在低于一定温度时电阻变为0的现象。超导体，顾名思义就是超能导电的物体。
众所周知，根据导电性能的不同，物质大致可以分为导体、半导体和绝缘体。像铁、铝这样的金属物质就是导体，电流电阻小，其中存在着大量可自由移动的带电粒子，这些电子能在外电场的作用下"自由行走"，形成明显的电流。正因如此，导体才容易导电；相反，像橡胶、塑料这样的绝缘体，其电阻极大，带电粒子因为被"困"在了原子周围不能"自由移动"，因而不容易导电。至于像硅、锗、砷化镓这样的半导体，则是性能介于前二者之间的物质。
按照焦耳定律，就算导体的导电性能再好，有电阻就会产生焦耳热，就会造成能量的额外消耗。想要电流在传输的过程中没有能量损耗，从理论上讲，就得电阻为0，而超导体就是这么理想的一种材料。
在一定温度下，它的电阻能变为0，传输电流时的损耗也就是0，不仅不会发热而且电线两端都不需要电压。
除了0电阻0损耗，超导体的完全抗磁性特性也让人心动。简单来说，如果我们在超导体正下方放置一个磁体，当磁体产生磁场，超导体会因为内部对磁场的绝对排斥，进而产生相反的磁场，并因此与磁体互相排斥。如果这种排斥力和超导体的重力能达到平衡，那么，超导体就能悬浮起来。
▲因为具有完全抗磁性特性而悬浮于空中的超导体（图源：Quanta）
利用超导体的特性，人们可以用来“举起”沉重巨大的车厢——诸如日本JR线的MLX系列低温超导磁悬浮磁浮列车测试线，也可以用来长期监测重力变化，观测潮汐、探测地震等——诸如天文地理研究中常用的磁悬浮重力仪；至于超导体的“约瑟夫森效应”则是说，如果在两个超导体之间夹一个绝缘层，当这个绝缘层的厚度薄到逼近原子那么薄时，电子就能直接穿过绝缘层，产生隧道电流现象。利用这一特性，人们不仅能做出速度更快、运行耗能更小的超导计算机，还能制作出灵敏度更高、噪声更小的超导量子干涉仪。
换而言之，如果真有一种可以被大范围商用的超导材料，这将是一场波及多个领域的重大变革。
被“卡住”的温度
然而，之所以说超导体是理想材料，说明它真的很难找。截至目前，超导体的应用还主要停留在粒子加速器、超导量子干涉仪等特定的实验场景中，而限制其大范围商用的主要原因就是温度。
在物理学中，一种超导材料进入超导状态的温度被称为超导临界温度。1911年，荷兰莱顿大学的科学家发现，金属汞在4.2K以下电阻会突然消失，这是人类首次发现的超导现象。
此后百余年里，人类又陆续发现了各类超导材料，如合金、金属间化合物甚至有机化合物等。然而科学家在欣喜之余却发现，想要保持这些材料超导性质的临界温度普遍都很苛刻，基本都在50K（约-220℃）以下，如果没有液氮或者液氦几乎难以实现。正因如此，高压就成了提高超导临界温度的主要途径。
试想一下，如果一种材料要在零下几百摄氏度的温度下，或是100GPa以上的极端高压下才能正常工作，那么将这种技术大范围地应用于市场，它的可能性有多大——要知道，地球中心的压强也就只有370GPa而已！要么依靠极端的制冷条件，要么依靠可怕的高压手段，难道就没有哪种材料，在室温条件（300K，约27°C）下就能保持超导性质？
寻找室温超导体的道路无疑是漫长的。
在很长一段时间里，研究者们一直认为，超导转变温度不可能超过30K。1986年，铜氧化物高温超导体的发现开启了人类高温超导材料的探索之路。铜氧化物高温超导体不仅是首个转变温度超越液氮沸点的超导体（液氮沸点为77K，约-196℃，高于液氮沸点的转变温度为超导体的商业应用提供了非常便利的条件），而且人们普遍认为，铜氧化物高温超导体的超导机理超越了传统的电-声子BCS理论的描述范围，这为探索性能更加优越的超导体提供了广阔的想象空间。
2015年，德国马克思·普朗克化学研究所发现，氢硫化合物在150GPa的条件下，在-70°C左右的温度就出现超导现象。四年后，研究团队进一步发现，十氢化镧在高压条件下进入超导状态只需-23°C……
毫无疑问，在诸多科学家的不懈努力下，新材料的超导临界温度在不断被刷新，但即便如此，依然无法摆脱超高压这种缺乏实践应用场景的前提。
一时间，人类对室温超导的研究似乎进入了瓶颈。
▲2020年的研究中，罗切斯特大学使用了特殊的金刚砧，其主要构成则是两颗"尖对尖"的钻石。（图源：罗切斯特大学）
2020年，罗切斯特大学Ranga Dias团队表示，他们尝试将碳、硫、氢三种元素混合，利用激光照射和金刚石砧，在15°C左右（287.7K）的室温条件下，成功让材料进入了超导状态。尽管实验仍需高压条件——金刚石砧的挤压提供了267GPa的高压，但该研究逼近室温的临界温度仍然让全世界为之轰动，国际权威期刊《自然》杂志都特意为其刊登了一期封面以示庆祝……一夜之间，人类距离实现室温超导的美好愿望好像触手可及了。
▲267Gpa的高压相当于标准大气压的200多万倍，在地球上4500公里的深度才可能达到这样的压力环境，而地球的平均半径仅6371公里。（图源：视觉中国）
然而人们的兴奋还没有持续多久，业界的怀疑就纷至沓来，众多学术界大佬纷纷对数据提出了质疑：“根据以往既有的理论，近年来已经有实验把超导临界温度做到非常逼近室温，甚至比室温高很多的也有，只是没有被广泛关注和正式发表而已。”
有实验物理学家表示，Ranga Dias“论文数据过于漂亮了，超导零电阻的转变非常陡峭，相关结果存在一系列的问题”，更有理论物理学家直言，其研究的 “数据结果有悖基本物理”。
最后，在巨大的争议中，尽管遭到了Ranga Dias等9位作者的坚决反对，《自然》杂志还是于2022年9月做出了对该论文撤稿的决定。
常温常压的超导材料还有多远？
此次，Ranga Dias团队的研究如果能够被认证，它对室温超导研究的意义将是里程碑式的。虽然1GPa这个气压依然很高，相当于大气压的1万倍，但是跟以往实现常温超导的气压相比，已大幅减少。
然而受此前“撤稿风波”影响，期刊表示将对研究结果进行“更严格的审查”，同时此次Dias的论文公布了很多实验数据和视频，这些实验条件并不难被重复，“结果很快就能见分晓”。
在接受媒体采访时，中国科学院物理研究所研究员孙力玲表示，人们期待这件事情能够被其它更多的实验研究组所验证，但研究结果需要推敲。“值得注意的是，Dias报告中给出的样品照片的颜色为蓝色，与我们通常看到的超导体具有的黑色和褐色等完全不同。如果其颜色是样品的本色，说明即使将来其它研究组可以从实验上证实其超导电性，这种超导体也不应该是我们以前所知道的超导体”，她说。
▲Dias最新论文中给出的实验视频截图，样品在环境压力下为蓝色。
中国人民大学物理系教授李涛对此表达了较为积极的观点。“我个人认为如果被证实的话，这个发现的意义是很大的。”李涛告诉记者，尽管这个体系的超导机理也许仍然是传统的电-声子BCS机制，但这一发现无疑将促使我们思考这个传统超导理论适用范围的边界究竟在哪里，尤其是它将为探索突破所谓 ‘麦克米兰极限’的超导体提供重要的启发（物理学家麦克米兰曾根据电-声子BCS理论推断,超导体的临界温度存在上限。一般认为，目前常压下电-声子机制超导体的临界温度记录是在MgB2中实现的39K，约-234℃）。他表示：“尽管超导体的临界温度并不是制约其应用的唯一因素，但是如果这个发现被确认，至少我们可以学到如何在常压条件下创造提高临界温度的条件。”
在中国科学院物理研究所研究员罗会仟看来，基于目前的高压合成测量技术，样品产量非常低，且常压下不一定稳定，室温超导不可能有大规模的应用。但如果未来不需要高压即可合成超导材料，即使温度没有真正到室温，在接近室温情况下，用途也将非常广。
▲超导体能够进行长距离大容量输电，电网损耗变少、效率提高，能极大地减少能量浪费。（图源：视觉中国）
事实上，尽管时不时有新的发现，但从总体上看，近十年来全球超导材料研究始终处于一个尴尬的瓶颈期，究其原因，“市场化”也许是最难跨越的一个阻碍——如何将实验室中的新发现，实际应用到讲求成本、看重效率、生产条件有限的商用市场？这个问题似乎很难回答。
“虽然实验室陆陆续续找到了一些临界温度更高的新材料，但是受限于价格和性能等因素，这些新材料始终打不开商业市场，没办法投入实际应用。”一位不愿意透露姓名的业内知情人说。
现如今，超导技术对于多数普通人而言还是非常神秘，甚至常常引发人们的“误解”：提到超导技术，大家总会想到磁悬浮列车，但实际上，现实生活中大多数磁悬浮列车使用的是常规导体，像德国的和国内上海的磁悬浮，这些列车跟超导技术并没有太大关系。相比之下，反而是医院里使用的核磁共振成像（MRI），尤其是1.5T以上的核磁共振，才是跟普通人距离最近的超导技术。
相比于CT成像等技术，MRI不仅没有辐射，而且能为医生提供内容更加丰富、影响更加清晰的对比影像，尤其对于诸如脑补、脊髓等不同软组织或是中枢神经系统等部位的对比成像也更加好。如今，9.4T超高场MRI不仅在理论上能帮助人类检查糖尿病以及心脏病，甚至还有望能够帮助早期检测阿兹海默症，为人类解决"难以治疗只能预防"的顽疾提供更好的技术支持。
探寻适用于民用市场的超导材料并不容易，尽管路漫漫其修远兮，但人类寻找超导材料的脚步却从未停下。从能承载大量电能却几乎不产生额外能耗的超导发电机、超导直流输电线，再到信号覆盖更广、抗干扰力更强的信号通讯基站……一步步的探索中，超导技术正在等待下一个春天。
来源：北京科技报
举报/反馈
0
0
收藏
分享
