探尋適用于民用市場的超導(dǎo)材料，可謂路漫漫其修遠(yuǎn)兮。從能承載大量電能卻幾乎不產(chǎn)生額外能耗的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗干擾力更強(qiáng)的信號通訊基站……一步步的探索中，超導(dǎo)技術(shù)正在等待下一個春天。
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(xué)物理系教授）
3月8日，在美國物理學(xué)會年度會議上，羅徹斯特大學(xué)Ranga Dias教授宣布團(tuán)隊(duì)在1GPa（約等于1萬個大氣壓）壓強(qiáng)下，镥-氮-氫體系材料實(shí)現(xiàn)了294K（開爾文），約零上21℃的室溫超導(dǎo)。相關(guān)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(xué)家們坐不住了——根據(jù)當(dāng)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(xué)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(jìn)場。
▲在拉斯維加斯舉行的美國物理學(xué)會現(xiàn)場（圖源自網(wǎng)絡(luò)）
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(xué)習(xí)“室溫超導(dǎo)”。
#室溫超導(dǎo)這樣一個專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)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(guān)心跑步和養(yǎng)生的朋友都紛紛跟進(jìn)，并發(fā)出疑問：“室溫超導(dǎo)到底是什么？它和我們又有什么樣的關(guān)系呢？”
什么是 “超導(dǎo)體”
在回答“什么是室溫超導(dǎo)”這個問題前，首先需要先說說“超導(dǎo)體”這一概念。
超導(dǎo)（superconductivity）是材料在低于一定溫度時電阻變?yōu)?的現(xiàn)象。超導(dǎo)體，顧名思義就是超能導(dǎo)電的物體。
眾所周知，根據(jù)導(dǎo)電性能的不同，物質(zhì)大致可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。像鐵、鋁這樣的金屬物質(zhì)就是導(dǎo)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(dǎo)體才容易導(dǎo)電；相反，像橡膠、塑料這樣的絕緣體，其電阻極大，帶電粒子因?yàn)楸?quot;困"在了原子周圍不能"自由移動"，因而不容易導(dǎo)電。至于像硅、鍺、砷化鎵這樣的半導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體正下方放置一個磁體，當(dāng)磁體產(chǎn)生磁場，超導(dǎo)體會因?yàn)閮?nèi)部對磁場的絕對排斥，進(jìn)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(dǎo)體的重力能達(dá)到平衡，那么，超導(dǎo)體就能懸浮起來。
▲因?yàn)榫哂型耆勾判蕴匦远鴳腋∮诳罩械某瑢?dǎo)體（圖源：Quanta）
利用超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體的“約瑟夫森效應(yīng)”則是說，如果在兩個超導(dǎo)體之間夾一個絕緣層，當(dāng)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(yùn)行耗能更小的超導(dǎo)計算機(jī)，還能制作出靈敏度更高、噪聲更小的超導(dǎo)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(dǎo)材料，這將是一場波及多個領(lǐng)域的重大變革。
被“卡住”的溫度
然而，之所以說超導(dǎo)體是理想材料，說明它真的很難找。截至目前，超導(dǎo)體的應(yīng)用還主要停留在粒子加速器、超導(dǎo)量子干涉儀等特定的實(shí)驗(yàn)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(xué)中，一種超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的溫度被稱為超導(dǎo)臨界溫度。1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的科學(xué)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(dǎo)現(xiàn)象。
此后百余年里，人類又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各類超導(dǎo)材料，如合金、金屬間化合物甚至有機(jī)化合物等。然而科學(xué)家在欣喜之余卻發(fā)現(xiàn)，想要保持這些材料超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。正因如此，高壓就成了提高超導(dǎo)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(yīng)用于市場，它的可能性有多大——要知道，地球中心的壓強(qiáng)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(dǎo)性質(zhì)？
尋找室溫超導(dǎo)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(rèn)為，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不可能超過30K。1986年，銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)開啟了人類高溫超導(dǎo)材料的探索之路。銅氧化物高溫超導(dǎo)體不僅是首個轉(zhuǎn)變溫度超越液氮沸點(diǎn)的超導(dǎo)體（液氮沸點(diǎn)為77K，約-196℃，高于液氮沸點(diǎn)的轉(zhuǎn)變溫度為超導(dǎo)體的商業(yè)應(yīng)用提供了非常便利的條件），而且人們普遍認(rèn)為，銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)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(dǎo)體提供了廣闊的想象空間。
2015年，德國馬克思·普朗克化學(xué)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(dǎo)現(xiàn)象。四年后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，十氫化鑭在高壓條件下進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)只需-23°C……
毫無疑問，在諸多科學(xué)家的不懈努力下，新材料的超導(dǎo)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(shí)踐應(yīng)用場景的前提。
一時間，人類對室溫超導(dǎo)的研究似乎進(jìn)入了瓶頸。
▲2020年的研究中，羅切斯特大學(xué)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(xué)）
2020年，羅切斯特大學(xué)Ranga Dias團(tuán)隊(duì)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(jìn)入了超導(dǎo)狀態(tài)。盡管實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)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(xué)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(shí)驗(yàn)把超導(dǎo)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(guān)注和正式發(fā)表而已。”
有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家表示，Ranga Dias“論文數(shù)據(jù)過于漂亮了，超導(dǎo)零電阻的轉(zhuǎn)變非常陡峭，相關(guān)結(jié)果存在一系列的問題”，更有理論物理學(xué)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(dǎo)材料還有多遠(yuǎn)？
此次，Ranga Dias團(tuán)隊(duì)的研究如果能夠被認(rèn)證，它對室溫超導(dǎo)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(dāng)于大氣壓的1萬倍，但是跟以往實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)的氣壓相比，已大幅減少。
然而受此前“撤稿風(fēng)波”影響，期刊表示將對研究結(jié)果進(jìn)行“更嚴(yán)格的審查”，同時此次Dias的論文公布了很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和視頻，這些實(shí)驗(yàn)條件并不難被重復(fù)，“結(jié)果很快就能見分曉”。
在接受媒體采訪時，中國科學(xué)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(shí)驗(yàn)研究組所驗(yàn)證，但研究結(jié)果需要推敲。“值得注意的是，Dias報告中給出的樣品照片的顏色為藍(lán)色，與我們通?？吹降某瑢?dǎo)體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(shí)驗(yàn)上證實(shí)其超導(dǎo)電性，這種超導(dǎo)體也不應(yīng)該是我們以前所知道的超導(dǎo)體”，她說。
▲Dias最新論文中給出的實(shí)驗(yàn)視頻截圖，樣品在環(huán)境壓力下為藍(lán)色。
中國人民大學(xué)物理系教授李濤對此表達(dá)了較為積極的觀點(diǎn)?！拔覀€人認(rèn)為如果被證實(shí)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(dǎo)機(jī)理也許仍然是傳統(tǒng)的電-聲子BCS機(jī)制，但這一發(fā)現(xiàn)無疑將促使我們思考這個傳統(tǒng)超導(dǎo)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(dǎo)體提供重要的啟發(fā)（物理學(xué)家麥克米蘭曾根據(jù)電-聲子BCS理論推斷,超導(dǎo)體的臨界溫度存在上限。一般認(rèn)為，目前常壓下電-聲子機(jī)制超導(dǎo)體的臨界溫度記錄是在MgB2中實(shí)現(xiàn)的39K，約-234℃）。他表示：“盡管超導(dǎo)體的臨界溫度并不是制約其應(yīng)用的唯一因素，但是如果這個發(fā)現(xiàn)被確認(rèn)，至少我們可以學(xué)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(xué)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(dǎo)不可能有大規(guī)模的應(yīng)用。但如果未來不需要高壓即可合成超導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)室中的新發(fā)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)技術(shù)，大家總會想到磁懸浮列車，但實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)磁懸浮列車使用的是常規(guī)導(dǎo)體，像德國的和國內(nèi)上海的磁懸浮，這些列車跟超導(dǎo)技術(shù)并沒有太大關(guān)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(dǎo)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(bǔ)、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(yù)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(dǎo)材料并不容易，盡管路漫漫其修遠(yuǎn)兮，但人類尋找超導(dǎo)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(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗干擾力更強(qiáng)的信號通訊基站……一步步的探索中，超導(dǎo)技術(shù)正在等待下一個春天。
出品：科普中央廚房
監(jiān)制：北京科技報 | 北科傳媒
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