全球物理界傳來(lái)爆炸性新聞——室溫超導(dǎo)時(shí)代，是否真的來(lái)臨

文章來(lái)源：浙江日?qǐng)?bào)

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發(fā)布時(shí)間：2023-03-17 09:37:50

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最近，全球物理界最爆炸的新聞，非室溫超導(dǎo)莫屬。

在國(guó)際物理學(xué)界的盛會(huì)美國(guó)物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上，羅徹斯特大學(xué)的Ranga Dias教授宣布在約1GPa（一萬(wàn)個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)、21℃的溫度下觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，相關(guān)論文也正式發(fā)表在《自然》雜志上。

一時(shí)間，不光物理界“炸了鍋”，投資人著了急，尋常百姓也來(lái)湊熱鬧。雖然結(jié)果真假尚需時(shí)日驗(yàn)證，真正牽動(dòng)人心的是：室溫超導(dǎo)是什么，緣何激動(dòng)了眾人的心？超導(dǎo)時(shí)代，離我們還有多遠(yuǎn)？

近期，記者采訪了中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟、浙江大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理所所長(zhǎng)許祝安，帶大家一起走進(jìn)超導(dǎo)這一熟悉又陌生的奇妙世界。

112歲的超導(dǎo)，還是個(gè)年輕“boy”

短短兩天內(nèi)，百度搜索指數(shù)從0飆升至25497，室溫超導(dǎo)的熱度可謂盛極一時(shí)，然而絕大多數(shù)人都對(duì)這一概念十分陌生。如何理解室溫超導(dǎo)？我們要從超導(dǎo)（superconductivity）開始說(shuō)起——

從字面上看，超就是超級(jí)（super），導(dǎo)指的是導(dǎo)電性（conductivity），超導(dǎo)就是超級(jí)導(dǎo)電的意思。

眾所周知，我們可以根據(jù)物體導(dǎo)電的能力，將其分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在導(dǎo)體中，自由電荷的定向移動(dòng)形成的是電流，阻礙其運(yùn)動(dòng)的物理量叫做電阻。超導(dǎo)就是一種極致狀態(tài)——物體在低于一定溫度時(shí)，電阻變?yōu)?。

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂尼斯在研究低溫下金屬電阻變化規(guī)律時(shí)意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汞的溫度降到4.2K（-270℃）左右時(shí)，它的電阻突然消失了。他將這種現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)”，并將使物質(zhì)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度，而能夠發(fā)生這一現(xiàn)象的物質(zhì)被稱為超導(dǎo)體。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體不僅具有零電阻的特性，另一個(gè)重要特征是完全抗磁性。換句話說(shuō)，超導(dǎo)材料一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，就像擁有了“金鐘罩、鐵布衫”一樣，可以完全抵御外磁場(chǎng)的入侵，做到全身而退。

金屬汞是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體。此后100余年里，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種超導(dǎo)體材料，但都需要在極低的溫度下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。因此，科學(xué)家們將臨界溫度高于40K（-233.15℃）的超導(dǎo)體稱為“高溫超導(dǎo)體”。

許祝安強(qiáng)調(diào)，這里所說(shuō)的“高溫”，并非體感意義上的高溫，而是相對(duì)于極低溫度而言，40K可以算得上高溫了。

那么，超導(dǎo)體的臨界溫度能夠更高嗎？答案是肯定的。2015年，德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫在約150萬(wàn)個(gè)大氣壓的極度高壓環(huán)境下，可在203K（約-70℃）溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。

三年后，這一紀(jì)錄又被十氫化鑭提高至250K（約-23℃），前提是在170萬(wàn)個(gè)大氣壓下。如果室溫達(dá)到-70℃，尚且還需要去往南極或北極環(huán)境，那么-23℃，則在我國(guó)東北地區(qū)就能實(shí)現(xiàn)。

盡管從被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，超導(dǎo)體已經(jīng)“112歲”，跟人類比已經(jīng)是個(gè)“長(zhǎng)壽老人”了，但在物理史上，還是個(gè)年輕“boy”。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，更高溫的超導(dǎo)材料一直是科學(xué)家們追逐的方向。據(jù)早前媒體報(bào)道，Ranga Dias團(tuán)隊(duì)的這場(chǎng)演講在開場(chǎng)前15分鐘就已人滿為患，安保人員不得不出面控制觀眾人數(shù)。

為何科學(xué)界對(duì)這場(chǎng)報(bào)告如此關(guān)注？羅會(huì)仟分析，這場(chǎng)報(bào)告本身有兩個(gè)興奮點(diǎn)：首先是溫度。在常壓情況下，絕大多數(shù)材料的超導(dǎo)臨界溫度都很低，基本在-138℃以下。而根據(jù)Ranga Dias所言，這種由氫、氮和稀土金屬镥制成的材料，能在接近常溫21℃的溫度下觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。

其次是壓力。室溫超導(dǎo)在以前需要百萬(wàn)級(jí)壓強(qiáng)這一比較苛刻的條件，因此需要兩個(gè)金剛石對(duì)壓來(lái)產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)。現(xiàn)在降到一萬(wàn)個(gè)大氣壓，就實(shí)現(xiàn)角度來(lái)說(shuō)，難度已經(jīng)降下來(lái)不少。相關(guān)研究人員表示，這已經(jīng)是一個(gè)商用設(shè)備可以達(dá)到的壓強(qiáng)了。

也就是說(shuō)，能否從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)生活，是室溫超導(dǎo)必須要過(guò)的“一關(guān)”。

爆火的室溫超導(dǎo)，無(wú)數(shù)科學(xué)家的夢(mèng)想

在物理學(xué)界，超導(dǎo)是“諾獎(jiǎng)”級(jí)工作。到目前為止，200余位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者中，有10位科學(xué)家是直接因?yàn)槌瑢?dǎo)研究獲此殊榮的。

其中包括發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的卡末林·昂尼斯，他于1913年獲得諾獎(jiǎng)。在解釋超導(dǎo)的理論探索上，1972年，巴丁、庫(kù)珀和施里弗因三人提出超導(dǎo)電性的BCS理論被授予諾獎(jiǎng)；隔年，約瑟夫森因預(yù)言隧道超導(dǎo)電流，提出約瑟夫森效應(yīng)獲獎(jiǎng)。在超導(dǎo)材料的發(fā)掘上，1986年，柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)了一種氧化銅材料La-Ba-Cu-O的高溫超導(dǎo)性，并于次年獲獎(jiǎng)……

羅會(huì)仟曾在《超導(dǎo)“小時(shí)代”：超導(dǎo)的前世、今生和未來(lái)》一書中提到，全世界科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)熱情討論的盛況：

1987年3月初，美國(guó)物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議設(shè)立了“高臨界溫度超導(dǎo)體討論會(huì)”，當(dāng)時(shí)，來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、日本的科學(xué)家，作為大會(huì)特邀報(bào)告人，分別報(bào)道了各自在高溫超導(dǎo)材料探索的結(jié)果，世界各地的3000多名物理學(xué)家，擠滿了1100人容量的報(bào)告廳，狂熱的會(huì)議討論一直持續(xù)了7小時(shí)，直到凌晨2點(diǎn)才結(jié)束。

對(duì)某一領(lǐng)域投注巨大熱情，有時(shí)候恰恰證明了，我們對(duì)其了解得還不夠深。

“高溫超導(dǎo)非常神秘，有點(diǎn)像瞎子摸象，直到現(xiàn)在還是有人能摸到一個(gè)新東西出來(lái)�！痹S祝安舉了個(gè)形象的例子，在高溫超導(dǎo)這個(gè)“龐然大象”面前，科學(xué)家們提出的諸多理論尚且只能解釋一部分超導(dǎo)現(xiàn)象。關(guān)于出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的底層邏輯，仍是一座值得開發(fā)的富礦，亟待科學(xué)家們開采。

至于超導(dǎo)材料，更像是宇宙中的小行星，形態(tài)表征各不相同：?jiǎn)钨|(zhì)金屬、合金、過(guò)渡金屬硫族化物/磷族化物等等都具有超導(dǎo)電性。它們漂浮在遙遠(yuǎn)的超導(dǎo)宇宙空間，等待被發(fā)現(xiàn)。

前文中，關(guān)于超導(dǎo)研究出現(xiàn)的多是外國(guó)人的名字，但事實(shí)上，中國(guó)在這方面的研究并不落后。

“中國(guó)在超導(dǎo)的基礎(chǔ)領(lǐng)域研究等方向，目前已經(jīng)做到了世界領(lǐng)先水平�！绷_會(huì)仟告訴記者，上個(gè)世紀(jì)六七十年代，中國(guó)就開始研究超導(dǎo)。80年代，在瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象后，在中科院物理所趙忠賢老師為代表的團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)下，中國(guó)很快發(fā)現(xiàn)了90K（-183℃）以上銅氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，打破了傳統(tǒng)超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過(guò)40K（約-233℃）的上限。

2008年，趙忠賢院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了55 K（-218℃）。當(dāng)年美國(guó)《科學(xué)》雜志還以“新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到最前沿”為題發(fā)表述評(píng)，肯定了中國(guó)物理學(xué)家在新型鐵基超導(dǎo)體研究中所開展的富有重要影響的領(lǐng)先性工作。

自此，很多新的鐵基超導(dǎo)材料、包括超導(dǎo)機(jī)理方面的物性研究，均由中國(guó)科學(xué)家率先開展。直至今日，中國(guó)在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，即材料和機(jī)理方面，都處在全球前列。

超導(dǎo)研究如火如荼，那為何超導(dǎo)技術(shù)還沒(méi)有走進(jìn)人們的生活呢？

“應(yīng)用條件苛刻。”許祝安一言以蔽之，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的“超導(dǎo)家族”，要么需要超低溫，要么需要超高壓，應(yīng)用領(lǐng)域還很窄。

比如埋在“深圳第一高樓”——平安金融中心地下的超導(dǎo)電纜，就需要借助國(guó)產(chǎn)GM制冷機(jī)等維持低溫環(huán)境。

正是因?yàn)槟壳暗某瑢?dǎo)材料限制重重，室溫超導(dǎo)這種“理想材料”，才會(huì)成為眾多科學(xué)家的夢(mèng)想。

迷人的超導(dǎo)世界，應(yīng)用空間從地球到宇宙

當(dāng)室溫超導(dǎo)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，世界為之一變，也不是不可能。

看過(guò)科幻電影《阿凡達(dá)》的人會(huì)有印象，在潘多拉星球，有許多飄浮在空中的“哈利路亞山”，懸浮的原因是山里含有一種神奇礦石——室溫超導(dǎo)礦石。

這一畫面，足以打開人們的想象空間。事實(shí)上，在能用到電和磁的地方都能用到超導(dǎo)材料，未來(lái)在室溫超導(dǎo)材料的加持下，超導(dǎo)電力、超導(dǎo)輸電、量子計(jì)算機(jī)、磁懸浮列車等，或?qū)こ？梢姟?span style="display:none">P0K新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

最直接的受益行業(yè)便是電力�，F(xiàn)在的輸電線是銅或鋁導(dǎo)線，通常采用的是遠(yuǎn)距離輸送，結(jié)合中國(guó)每年15%左右的輸電損耗，大約1000億度，幾乎相當(dāng)于三峽發(fā)電站一整年的發(fā)電量。想象一下，如果把輸電線的材料換成室溫超導(dǎo)材料，理論上可以把電力損耗降到零。

在儲(chǔ)能方面，室溫超導(dǎo)也大有可為。比如，在電動(dòng)汽車方面，超導(dǎo)材料可以大大增加儲(chǔ)能密度，進(jìn)而延長(zhǎng)續(xù)航里程，這對(duì)節(jié)能環(huán)保和能源資源的利用都有重要意義。

如此看來(lái)，室溫超導(dǎo)更像是個(gè)魔術(shù)師，把消失的損耗“變”回來(lái)了。

在能源日漸短缺的今天，核聚變被視作徹底解決能源問(wèn)題的夢(mèng)想。而其中，超導(dǎo)又是關(guān)鍵材料。許祝安告訴記者，在大型超導(dǎo)線圈的開發(fā)中，超導(dǎo)材料的研制仍然是所有開發(fā)項(xiàng)目中最不輕松的技術(shù)開發(fā)課題，一旦能夠展開應(yīng)用，“無(wú)限的能源”也將得以實(shí)現(xiàn)。

這些應(yīng)用只是冰山一角，室溫超導(dǎo)還將對(duì)世界交通運(yùn)輸、通訊、醫(yī)療等領(lǐng)域產(chǎn)生深刻影響。

超導(dǎo)磁懸浮列車，未來(lái)或成世界上運(yùn)行速度最快的列車。想象一下，懸浮在軌道上方，列車竟然可以跑得更快，這里運(yùn)用的就是超導(dǎo)體完全抗磁性的原理使車體上浮，通過(guò)周期性地變換磁極方向來(lái)獲取推進(jìn)動(dòng)力。

2015年，據(jù)日本NHK電視臺(tái)報(bào)道，在日本山梨縣的實(shí)驗(yàn)線路上進(jìn)行試運(yùn)行的磁懸浮列車，4月份創(chuàng)出了最高時(shí)速603千米記錄，被吉尼斯世界紀(jì)錄評(píng)為世界上最快的鐵路。

眾所周知，我國(guó)高鐵速度最快可達(dá)每小時(shí)380公里，如果未來(lái)能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁懸浮列車，出行效率會(huì)大大提升。

“目前影響超導(dǎo)磁懸浮列車推廣的不僅僅有技術(shù)問(wèn)題，更主要的是成本因素�！痹S祝安解釋，就目前來(lái)看，超導(dǎo)磁懸浮列車需要大量液氦來(lái)保持溫度，這些費(fèi)用和維護(hù)成本較高。而一旦室溫超導(dǎo)技術(shù)成熟，超導(dǎo)磁懸浮列車將可以大范圍推廣。

可以預(yù)見的是，未來(lái)室溫超導(dǎo)成尋常材料，家里或許就能坐上“懸浮云沙發(fā)”，出門可以乘坐超導(dǎo)磁懸浮高速列車，計(jì)算可以使用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，超導(dǎo)可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)的成功研制，或許可以為人類在太空行走的宇宙飛船提供源源不斷的動(dòng)力……

從生活到生產(chǎn)，從地球到宇宙，都能找到室溫超導(dǎo)的應(yīng)用空間。

“一個(gè)重要的科學(xué)突破，極可能引領(lǐng)其他包括技術(shù)在內(nèi)的領(lǐng)域的突破，這才是科學(xué)突破本身的價(jià)值和意義。”許祝安舉例，相對(duì)論出世時(shí)，沒(méi)人會(huì)想到這一原理會(huì)為人類利用核能奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從這個(gè)角度看，室溫超導(dǎo)研究的突破，更重要的意義在于，可能會(huì)對(duì)其他領(lǐng)域帶來(lái)革命性影響。

超導(dǎo)世界令人著迷，不過(guò)新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。

羅會(huì)仟解釋，從物理層面看，室溫超導(dǎo)并非常溫就能用，三個(gè)參數(shù)很關(guān)鍵：臨界溫度，臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)。一旦其中一個(gè)參數(shù)超過(guò)臨界值，材料就會(huì)瞬間不超導(dǎo)。

從工程層面看，多股電纜要進(jìn)行較為緊密地繞轉(zhuǎn)，使用過(guò)程受力分布不均勻，室溫超導(dǎo)材料的效力就會(huì)降級(jí)。

因此盡管現(xiàn)在新的超導(dǎo)材料不斷，但全球絕大部分應(yīng)用的，還是幾十年前發(fā)現(xiàn)的鈮鈦合金超導(dǎo)體。室溫超導(dǎo)材料的性能，是決定其能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

如此充滿想象空間的超導(dǎo)時(shí)代，你期待嗎？

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