新浪科技訊 北京時間7月13日消息，電阻是現代社會(hui) 最大的物理學問題之一。電流隻要在電線中流動，便難免會(hui) 損失一部分能量，以熱量的形式散失。電流由移動的電荷構成，我們(men) 可以借電線對電流進行操控。但即使是性能最強大、效率最高的導體(ti) ，如銅、銀、金、鋁等金屬，也會(hui) 不可避免地產(chan) 生電阻。無論這些導體(ti) 截麵有多寬、屏蔽多麽(me) 徹底、氧化程度多麽(me) 低，都無法100%地傳(chuan) 輸電能。

　　除非我們(men) 能設法將電線從(cong) 普通導體(ti) 轉化為(wei) 超導體(ti) ，否則電阻永遠無法避免。對普通導體(ti) 而言，隨著溫度降低，電阻會(hui) 逐漸減少。但超導體(ti) 則不然：一旦溫度低於(yu) 某個(ge) 閾值，電阻便會(hui) 猛跌至零。由於(yu) 沒有電阻，超導體(ti) 在傳(chuan) 輸電能時不會(hui) 造成任何能量損失，因而成為(wei) 了能效領域的“聖杯”。在近年來的研究中，科學家已經發現了迄今為(wei) 止溫度最高的超導體(ti) 。但在短時間內(nei) ，我們(men) 的電子設備還無法完成向超導體(ti) 的轉型。在本文中，我們(men) 將向你介紹超導體(ti) 領域的一些前沿信息。

　　超導體(ti) 有著一段悠久且精彩的曆史。早在19世紀，人們(men) 便意識到，即使最優(you) 良的導體(ti) 也會(hui) 產(chan) 生電阻。縱然可以通過增大電線橫截麵、降低材料溫度、或縮短電線長度等方法降低電阻，但無論怎樣做，普通導體(ti) 都無法擁有無限導電性，原因也很令人驚訝：電流可以產(chan) 生磁場，而電阻一旦發生變化，電流便會(hui) 隨之而變，致使導體(ti) 內(nei) 部的磁場也發生改變。

　　然而，完美導電性要求導體(ti) 內(nei) 部的磁場保持恒定不變。如果你設法減少了電線的電阻，電流就會(hui) 增強，磁場便會(hui) 發生變化，意味著你永遠無法實現完美導電性。但特定材料會(hui) 產(chan) 生一種名叫“邁斯納效應”的量子效應。發生該效應時，導體(ti) 內(nei) 的所有磁場都會(hui) 被排斥在外，因此對導體(ti) 內(nei) 部的電流而言，導體(ti) 的磁場便變成了零，導體(ti) 也就成為(wei) 了零電阻的超導體(ti) 。

　　超導性最早是在1911年、液氦剛開始被大規模用作製冷劑時發現的。有一天，科學家海克•昂內(nei) 斯想利用液氦將水銀冷卻至固體(ti) 狀態，在此過程中研究水銀的電阻性質。如預期中一樣，隨著溫度下降，水銀的電阻也開始逐漸降低。但溫度降至4.2K（開爾文，熱力學溫度單位）後，電阻突然完全消失了。不僅(jin) 如此，一旦溫度降到這一閾值以下，固態水銀內(nei) 部的磁場也不複存在。在此之後，又有其它幾種材料也表現出了這種超導特性，各自有著不同的閾值：鉛為(wei) 7K，铌為(wei) 10K，一氮化铌為(wei) 16K。後續又發現了多種具有該特性的化合物。在此過程中，相關(guan) 理論也取得了長足的進步，幫助科學家對引發該現象的量子機製有了更進一步的了解。然而，在上世紀80年代開展了一係列實驗之後，科學家又發現了一種奇特的現象：由迥然相異的分子構成的物質不僅(jin) 可以表現出超導特性，並且達到超導狀態的閾值溫度遠高於(yu) 此前所知的任何超導體(ti) 。

　　這一係列實驗是從(cong) 一類簡單的物質開始的：銅的氧化物。上世紀80年代中葉，利用氧化銅與(yu) 鑭、鋇兩(liang) 種元素結合開展的實驗成功打破了超導閾值的溫度記錄，在此前的記錄基礎上又升高了好幾度。但這一紀錄很快又被鍶元素打破了。沒過多久，一種名叫釔鋇銅氧的新材料竟然又打破了前者的記錄。這可不是一次簡單的技術進步，而是一項重大飛躍：此前的超導體(ti) 材料溫度閾值均低於(yu) 40K，必須借助液氫或液氦才能冷卻至這一低溫。但釔鋇銅氧成為(wei) 了首個(ge) 閾值超過77K的超導材料（其閾值為(wei) 92K），可以使用價(jia) 格便宜得多的液氮進行冷卻。

　　這一發現使得超導體(ti) 研究發生了爆炸式增長。此後，科學家發現了各式各樣的超導材料，不斷打破溫度和壓力閾值的記錄。然而數十年來，超導溫度的上限卻始終無法突破200K（作為(wei) 參考，室溫略低於(yu) 300K）。

　　盡管如此，超導材料依然幫我們(men) 實現了一係列技術突破。例如，地球上的超強磁場都是利用超導電磁鐵生成的，應用場景包括粒子加速器（包括歐核中心的大型強子對撞機）、醫療成像診斷設備（強磁鐵在核磁共振儀(yi) 中扮演著關(guan) 鍵作用）等等。超導不僅(jin) 是一種神奇的科學現象，更對我們(men) 的科學研究起到了極大助益。

　　雖然我們(men) 對超導的一些應用場景已經耳熟能詳，比如磁懸浮列車，但這些其實並非社會(hui) 層麵追求的目標。真正的目標是為(wei) 地球打造一套全麵的電氣化基礎設施係統，從(cong) 輸電線到電子設備，都可以徹底實現零電阻。雖然我們(men) 可以借冷凍係統實現超導，但隻有室溫超導體(ti) 才能真正實現高能效，並在磁懸浮列車和量子計算機等應用領域引發一場基礎設施革命。

　　2015年，科學家做了一項實驗：對硫化氫分子（化學式為(wei) H2S，和水分子H2O很相似）加以155吉帕斯卡的極端高壓，相當於(yu) 地球海平麵氣壓的150萬(wan) 倍，等於(yu) 在你身體(ti) 表麵每平方英寸上施加超過1萬(wan) 噸的力。結果其超導閾值首次突破了200K大關(guan) ，隻不過條件實在過於(yu) 極端了。

　　這條研究路線看上去很有前景，許多一度對室溫超導材料抱質疑態度的物理學家對該領域重新產(chan) 生了興(xing) 趣。在2020年10月14日的《自然》期刊上，羅切斯特大學物理學家蘭(lan) 加•迪亞(ya) 斯和同事們(men) 將硫化氫、氫氣、以及甲烷在267吉帕的極端壓力下混合在一起，創造出的材料再次打破了超導體(ti) 的溫度記錄。

　　在此次研究中，超導體(ti) 的溫度上限首次被提高到了288K，相當於(yu) 15攝氏度。隻要一台普通的冰箱或熱泵，便可使之變成超導體(ti) 。

　　去年這項發現無疑是一項重大突破，並且近年來，在極端條件下的半導體(ti) 閾值溫度一直在穩步升高。2015年的高壓硫氫實驗攻克了200K大關(guan) ，2018年的鑭氫實驗則突破了250K大關(guan) 。能夠在室溫下實現超導的化合物雖不至於(yu) 令人大吃一驚，但的確意義(yi) 非凡。

　　然而，超導體(ti) 的實際應用依然離我們(men) 十分遙遠。在普通溫度和極端高壓下實現超導，其實和在普通氣壓和極端溫度下實現超導沒什麽(me) 區別，同樣是大規模應用超導體(ti) 的阻礙。此外，這些材料必須一直保存在高壓環境下；一旦壓力下降，其溫度閾值也會(hui) 下降。因此下一步，我們(men) 還需要研製一種可以在室溫和普通壓力下應用的超導體(ti) 。

　　問題在於(yu) ，我們(men) 可能會(hui) 陷入一種兩(liang) 相為(wei) 難的局麵。當壓力變化時，在標準壓力下的高溫超導體(ti) 的表現並不會(hui) 有明顯變化，但在高壓下的高溫超導體(ti) 則會(hui) 隨著壓力的降低失去超導性。此外，前麵提到的加壓化合物隻有在極端的實驗室條件下才能製造出極少量，顯然不適合用來製造電線。

　　不過，有了理論基礎、再加上電腦計算，我們(men) 仍有可能找到正確的研究方向。每一種物質組合都會(hui) 形成獨特的物質結構，而相關(guan) 理論和計算機可以幫助我們(men) 判斷哪些結構在高溫和低壓下實現超導特性的可能性較大。例如，2018年攻克250K大關(guan) 的那次研究便是以這類計算為(wei) 基礎的。科學家通過計算，將方向瞄準了鑭氫化合物，再通過實驗加以驗證。

　　目前，這類計算已經幫助我們(men) 發現了一種符合要求的物質：釔氫化合物，可以在接近室溫的溫度下（零下11攝氏度）實現超導，所需壓力也大大降低。目前最優(you) 秀的高溫超導體(ti) 是金屬氫，但該物質隻有在超高壓環境下才存在，比如木星大氣層底部。不過，隻要向其中加入其它元素，便既可保留高溫超導特性，又能大大降低壓力要求。

　　從(cong) 理論上來說，所有單元素與(yu) 氫的結合物都值得展開探索。目前科學家較為(wei) 關(guan) 注兩(liang) 種元素與(yu) 氫的組合，如此前由迪亞(ya) 斯發現的碳-硫-氫化合物，以及鑭-硼-氫化合物，都在實驗中表現出了不錯的前景。但類似的組合可能多達成千上萬(wan) 種，必須借助計算機，才能更好地確定下一個(ge) 嚐試對象。

　　如今，如何降低壓力也成為(wei) 了高溫超導體(ti) 的最大問題之一。隻有在普通的溫度和壓力條件下、材料始終能夠維持超導特性，才算是取得了該領域的終極“聖杯”。從(cong) 計算機到磁懸浮列車、再到醫療成像設備，雖然這些技術都會(hui) 隨著超導體(ti) 的發展不斷進步，但最大的好處是，我們(men) 可以從(cong) 電網中節省大量能量。據美國能源部指出，僅(jin) 僅(jin) 在美國，高溫超導體(ti) 每年便可節省數千萬(wan) 億(yi) 美元的配電成本。

　　由於(yu) 我們(men) 的能源有限，任何杜絕能效浪費的做法都能惠及四方，包括能源提供者、配電機構、以及各級消費者。超導體(ti) 還可以杜絕過熱等問題，大大降低電氣火災的風險。此外還能延長電子設備的使用壽命，同時減少對設備散熱措施的需求。就像在20世紀、超導性突然一躍成為(wei) 科學研究的主流一樣，如果上天保佑，也許在21世紀，該技術也會(hui) 成為(wei) 消費者市場的主流。如今，我們(men) 已經在這條路上大步前進了。

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