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

撰文/記者 王雪瑩 圖文編輯/吉菁菁

采訪專(zhuan) 家：

李濤（中國人民大學物理係教授）

3月8日，在美國物理學會(hui) 年度會(hui) 議上，羅徹斯特大學Ranga Dias教授宣布團隊在1GPa（約等於(yu) 1萬(wan) 個(ge) 大氣壓）壓強下，鑥-氮-氫體(ti) 係材料實現了294K（開爾文），約零上21℃的室溫超導。相關(guan) 論文3月9日淩晨正式發表在《自然》雜誌上。

這一消息首先讓全球的物理學家們(men) 坐不住了——根據當天會(hui) 議現場回傳(chuan) 的畫麵和報道，該新聞一經發布，聚集在會(hui) 場外的圍到水泄不通的大批物理學界大咖們(men) 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(ju) 行的美國物理學會(hui) 現場（圖源自網絡）

其次，消息也驚動了A股，有券商3月8日深夜召開專(zhuan) 家會(hui) 議，股民們(men) 更是連夜學習(xi) “室溫超導”。

#室溫超導這樣一個(ge) 專(zhuan) 業(ye) 領域內(nei) 的學術詞匯不僅(jin) 刷屏了各大社交平台，就連朋友圈裏平日隻關(guan) 心跑步和養(yang) 生的朋友都紛紛跟進，並發出疑問：“室溫超導到底是什麽(me) ？它和我們(men) 又有什麽(me) 樣的關(guan) 係呢？”

什麽(me) 是 “超導體(ti) ”

在回答“什麽(me) 是室溫超導”這個(ge) 問題前，首先需要先說說“超導體(ti) ”這一概念。

超導（superconductivity）是材料在低於(yu) 一定溫度時電阻變為(wei) 0的現象。超導體(ti) ，顧名思義(yi) 就是超能導電的物體(ti) 。

眾(zhong) 所周知，根據導電性能的不同，物質大致可以分為(wei) 導體(ti) 、半導體(ti) 和絕緣體(ti) 。像鐵、鋁這樣的金屬物質就是導體(ti) ，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(ti) 才容易導電；相反，像橡膠、塑料這樣的絕緣體(ti) ，其電阻極大，帶電粒子因為(wei) 被"困"在了原子周圍不能"自由移動"，因而不容易導電。至於(yu) 像矽、鍺、砷化镓這樣的半導體(ti) ，則是性能介於(yu) 前二者之間的物質。

按照焦耳定律，就算導體(ti) 的導電性能再好，有電阻就會(hui) 產(chan) 生焦耳熱，就會(hui) 造成能量的額外消耗。想要電流在傳(chuan) 輸的過程中沒有能量損耗，從(cong) 理論上講，就得電阻為(wei) 0，而超導體(ti) 就是這麽(me) 理想的一種材料。

在一定溫度下，它的電阻能變為(wei) 0，傳(chuan) 輸電流時的損耗也就是0，不僅(jin) 不會(hui) 發熱而且電線兩(liang) 端都不需要電壓。

除了0電阻0損耗，超導體(ti) 的完全抗磁性特性也讓人心動。簡單來說，如果我們(men) 在超導體(ti) 正下方放置一個(ge) 磁體(ti) ，當磁體(ti) 產(chan) 生磁場，超導體(ti) 會(hui) 因為(wei) 內(nei) 部對磁場的絕對排斥，進而產(chan) 生相反的磁場，並因此與(yu) 磁體(ti) 互相排斥。如果這種排斥力和超導體(ti) 的重力能達到平衡，那麽(me) ，超導體(ti) 就能懸浮起來。

▲因為(wei) 具有完全抗磁性特性而懸浮於(yu) 空中的超導體(ti) （圖源：Quanta）

利用超導體(ti) 的特性，人們(men) 可以用來“舉(ju) 起”沉重巨大的車廂——諸如日本JR線的MLX係列低溫超導磁懸浮磁浮列車測試線，也可以用來長期監測重力變化，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(yi) ；至於(yu) 超導體(ti) 的“約瑟夫森效應”則是說，如果在兩(liang) 個(ge) 超導體(ti) 之間夾一個(ge) 絕緣層，當這個(ge) 絕緣層的厚度薄到逼近原子那麽(me) 薄時，電子就能直接穿過絕緣層，產(chan) 生隧道電流現象。利用這一特性，人們(men) 不僅(jin) 能做出速度更快、運行耗能更小的超導計算機，還能製作出靈敏度更高、噪聲更小的超導量子幹涉儀(yi) 。

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

被“卡住”的溫度

然而，之所以說超導體(ti) 是理想材料，說明它真的很難找。截至目前，超導體(ti) 的應用還主要停留在粒子加速器、超導量子幹涉儀(yi) 等特定的實驗場景中，而限製其大範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的溫度被稱為(wei) 超導臨(lin) 界溫度。1911年，荷蘭(lan) 萊頓大學的科學家發現，金屬汞在4.2K以下電阻會(hui) 突然消失，這是人類首次發現的超導現象。

此後百餘(yu) 年裏，人類又陸續發現了各類超導材料，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餘(yu) 卻發現，想要保持這些材料超導性質的臨(lin) 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。正因如此，高壓就成了提高超導臨(lin) 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，那麽(me) 將這種技術大範圍地應用於(yu) 市場，它的可能性有多大——要知道，地球中心的壓強也就隻有370GPa而已！要麽(me) 依靠極端的製冷條件，要麽(me) 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？

尋找室溫超導體(ti) 的道路無疑是漫長的。

在很長一段時間裏，研究者們(men) 一直認為(wei) ，超導轉變溫度不可能超過30K。1986年，銅氧化物高溫超導體(ti) 的發現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(ti) 不僅(jin) 是首個(ge) 轉變溫度超越液氮沸點的超導體(ti) （液氮沸點為(wei) 77K，約-196℃，高於(yu) 液氮沸點的轉變溫度為(wei) 超導體(ti) 的商業(ye) 應用提供了非常便利的條件），而且人們(men) 普遍認為(wei) ，銅氧化物高溫超導體(ti) 的超導機理超越了傳(chuan) 統的電-聲子BCS理論的描述範圍，這為(wei) 探索性能更加優(you) 越的超導體(ti) 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現，氫硫化合物在150GPa的條件下，在-70°C左右的溫度就出現超導現象。四年後，研究團隊進一步發現，十氫化鑭在高壓條件下進入超導狀態隻需-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(lin) 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，其主要構成則是兩(liang) 顆"尖對尖"的鑽石。（圖源：羅切斯特大學）

2020年，羅切斯特大學Ranga Dias團隊表示，他們(men) 嚐試將碳、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。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(lin) 界溫度仍然讓全世界為(wei) 之轟動，國際權威期刊《自然》雜誌都特意為(wei) 其刊登了一期封麵以示慶祝……一夜之間，人類距離實現室溫超導的美好願望好像觸手可及了。

然而人們(men) 的興(xing) 奮還沒有持續多久，業(ye) 界的懷疑就紛至遝來，眾(zhong) 多學術界大佬紛紛對數據提出了質疑：“根據以往既有的理論，近年來已經有實驗把超導臨(lin) 界溫度做到非常逼近室溫，甚至比室溫高很多的也有，隻是沒有被廣泛關(guan) 注和正式發表而已。”

有實驗物理學家表示，Ranga Dias“論文數據過於(yu) 漂亮了，超導零電阻的轉變非常陡峭，相關(guan) 結果存在一係列的問題”，更有理論物理學家直言，其研究的 “數據結果有悖基本物理”。

最後，在巨大的爭(zheng) 議中，盡管遭到了Ranga Dias等9位作者的堅決(jue) 反對，《自然》雜誌還是於(yu) 2022年9月做出了對該論文撤稿的決(jue) 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(yi) 將是裏程碑式的。雖然1GPa這個(ge) 氣壓依然很高，相當於(yu) 大氣壓的1萬(wan) 倍，但是跟以往實現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果進行“更嚴(yan) 格的審查”，同時此次Dias的論文公布了很多實驗數據和視頻，這些實驗條件並不難被重複，“結果很快就能見分曉”。

在接受媒體(ti) 采訪時，中國科學院物理研究所研究員孫力玲表示，人們(men) 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(wei) 藍色，與(yu) 我們(men) 通常看到的超導體(ti) 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(cong) 實驗上證實其超導電性，這種超導體(ti) 也不應該是我們(men) 以前所知道的超導體(ti) ”，她說。

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

中國人民大學物理係教授李濤對此表達了較為(wei) 積極的觀點。“我個(ge) 人認為(wei) 如果被證實的話，這個(ge) 發現的意義(yi) 是很大的。”李濤告訴記者，盡管這個(ge) 體(ti) 係的超導機理也許仍然是傳(chuan) 統的電-聲子BCS機製，但這一發現無疑將促使我們(men) 思考這個(ge) 傳(chuan) 統超導理論適用範圍的邊界究竟在哪裏，尤其是它將為(wei) 探索突破所謂 ‘麥克米蘭(lan) 極限’的超導體(ti) 提供重要的啟發（物理學家麥克米蘭(lan) 曾根據電-聲子BCS理論推斷,超導體(ti) 的臨(lin) 界溫度存在上限。一般認為(wei) ，目前常壓下電-聲子機製超導體(ti) 的臨(lin) 界溫度記錄是在MgB2中實現的39K，約-234℃）。他表示：“盡管超導體(ti) 的臨(lin) 界溫度並不是製約其應用的唯一因素，但是如果這個(ge) 發現被確認，至少我們(men) 可以學到如何在常壓條件下創造提高臨(lin) 界溫度的條件。”

在中國科學院物理研究所研究員羅會(hui) 仟看來，基於(yu) 目前的高壓合成測量技術，樣品產(chan) 量非常低，且常壓下不一定穩定，室溫超導不可能有大規模的應用。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現，但從(cong) 總體(ti) 上看，近十年來全球超導材料研究始終處於(yu) 一個(ge) 尷尬的瓶頸期，究其原因，“市場化”也許是最難跨越的一個(ge) 阻礙——如何將實驗室中的新發現，實際應用到講求成本、看重效率、生產(chan) 條件有限的商用市場？這個(ge) 問題似乎很難回答。

“雖然實驗室陸陸續續找到了一些臨(lin) 界溫度更高的新材料，但是受限於(yu) 價(jia) 格和性能等因素，這些新材料始終打不開商業(ye) 市場，沒辦法投入實際應用”，一位不願意透露姓名的業(ye) 內(nei) 知情人說。

現如今，超導技術對於(yu) 多數普通人而言還是非常神秘，甚至常常引發人們(men) 的“誤解”：提到超導技術，大家總會(hui) 想到磁懸浮列車，但實際上，現實生活中大多數磁懸浮列車使用的是常規導體(ti) ，像德國的和國內(nei) 上海的磁懸浮，這些列車跟超導技術並沒有太大關(guan) 係。相比之下，反而是醫院裏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。

相比於(yu) CT成像等技術，MRI不僅(jin) 沒有輻射，而且能為(wei) 醫生提供內(nei) 容更加豐(feng) 富、影響更加清晰的對比影像，尤其對於(yu) 諸如腦補、脊髓等不同軟組織或是中樞神經係統等部位的對比成像也更加好。如今，9.4T超高場MRI不僅(jin) 在理論上能幫助人類檢查糖尿病以及心髒病，甚至還有望能夠幫助早期檢測阿茲(zi) 海默症，為(wei) 人類解決(jue) "難以治療隻能預防"的頑疾提供更好的技術支持。

探尋適用於(yu) 民用市場的超導材料並不容易，盡管路漫漫其修遠兮，但人類尋找超導材料的腳步卻從(cong) 未停下。從(cong) 能承載大量電能卻幾乎不產(chan) 生額外能耗的超導發電機、超導直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗幹擾力更強的信號通訊基站……一步步的探索中，超導技術正在等待下一個(ge) 春天。

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