超導體又熱起來啦！

1987年3月19日，一則科學新聞罕見地登上了全世界報刊的頭版頭條。

這條新聞與超導領域的一項重大突破有關。超導體是一種能夠零電阻傳輸電力的材料。一旦研制出一種實用的超導體，必將在能源的儲存和運輸方面引發一場革命，而這正是身處全球氣候變暖時代的我們夢寐以求的。

美國布魯克海文國家實驗室在高壓下制造常溫超導體。

33年過去了，這場革命仍在期待之中。不過，最近又有了進展。我們已經制造出一種接近室溫條件下工作的超導體。而且，過去尋找高溫超導材料（實際是常溫超導材料），我們一直靠瞎摸瞎撞;而現在，理論和實驗正在結合，為這一領域開辟新的途徑。

低溫超導和高溫超導

說起超導，這是一個很長的故事。這里我們只能長話短說。

1911年，荷蘭物理學家海克·昂內斯發現，水銀在4.2K下突然完全失去電阻。由此，他提出“超導”這一概念。一種材料變成超導體的溫度，被稱為“轉變溫度”。第二年，錫和鉛也被發現能變成超導體，轉變溫度分別為3.8K和7.2K。隨后其他金屬，通常是鈮錫等合金，也被發現具有超導電性。

這些材料被稱為低溫超導體或傳統超導體，因為它們只能在極低溫度下工作。1950年代，三位物理學家發展了第一個超導理論——BCS理論，向我們揭示了低溫超導的原理：金屬中的電子可以兩兩配對，利用量子特性繞開晶格中的正電荷，實現無損耗移動。但這種配對在較高溫度下會被破壞，這就是超導只有在低溫下才能實現的原因。至少直到最近，傳統超導體最高只能在40K左右的溫度下工作。這意味著它們必須使用昂貴的液氦（4.2K左右）進行冷卻。

1987年讓世界如此興奮的是科學家發現了溫度100K以上的超導材料。這是一個巨大的飛躍，因為它們只需用相對容易獲得的液氮（77K左右）冷卻。這被稱為高溫超導體。第一批高溫超導材料是銅氧化物。到1993年，科學家已將最高的超導溫度推進到133K，朝室溫293K（相當于20℃）邁進了一大步。

然而，令人沮喪的是，高溫超導此后很長時間再也裹足不前了。一個重要原因是，科學家無法從理論上解釋高溫超導現象，缺乏理論指導，他們只能瞎摸瞎撞。

高溫超導體在實際應用上也是個問題。銅氧化物超導體像很脆的陶瓷材料，你無法把它們拉成細線。它們的制造成本很高，稍有雜質污染即失效。

低溫超導體需要極低的溫度，高溫超導體無法拉成導線，這就極大地限制了它們的應用。不過即便這樣，由于超導體那無可替代的優越性，它們已經在局部領域大顯身手。譬如，歐洲核子中心大型強子對撞機上引導粒子的強磁場以及醫院核磁共振掃描儀使用的強磁場，都是由超導體提供的。它們通常是鈮錫合金，用液氦冷卻到4K或更低。

兩項新的突破

最近一些年，冷寂已久的超導體研究又迎來了新的突破。一個是石墨烯超導體的發現。石墨烯是單個原子厚度的碳膜。將兩片石墨烯放在一起并稍加扭曲，就會使其成為超導體。石墨烯超導體雖然只能在1.7K溫度下工作，但至關重要的是，它似乎與銅氧化物的高溫超導遵循同樣的原理。這意味著，搞清楚石墨烯的超導機制，有助于理解高溫超導是怎么實現的。

2020年底，另一項成果引起人們極大的興趣。說起來，這又是一個長故事。早在1968年，美國物理學家尼爾·阿什克羅夫特證明，如果把氫變成固態的金屬氫，它里面的電子就會兩兩配對，在室溫條件下實現超導。但氫氣需要在上百萬大氣壓的超高壓下才能變成金屬氫，而這一點在實驗室并不容易實現。此后，阿什克羅夫特繼續研究，并在2004年從理論上證明，在極端高壓條件下，即使不是純的氫，只是氫化物，在室溫也能實現超導。

歐洲大型強子對撞機上引導粒子的超導磁鐵

受阿什克羅夫特工作的啟發，20 0 6年，英國劍橋大學的材料科學家開發了一個軟件，可以讓人通過計算來探索一種固體材料的內部結構，分析其電子在特定溫度下的表現，從而確定其成為超導體的潛質。由于計算比做實驗更快，成本更低，這就為科學家提供了有力的指導。

高壓下的高溫超導

受到該軟件的啟發，2015年，一位德國物理學家使155千兆帕高壓下（標準大氣壓的150萬倍）的固態硫化氫，在203.5K（約-70℃）實現了超導。

2020年，一個美國研究小組制造出一種在287K（相當于14℃）下超導的材料。這是第一次在類似于室溫的條件下實現超導。他們通過在兩顆鉆石之間擠壓材料，達到了267千兆帕的高壓（接近地核處的壓強）。

這意味著，只要給予很高的壓強，傳統超導體在室溫下工作也是可能的。為什么傳統超導體會有這種特性呢？這就需要我們發展BCS理論，從理論上作出解釋。一旦有了新理論，我們或許就能預言在壓強不特別高的條件下實現高溫超導的新材料。這樣的理論至今還付之闕如，但應該為時不遠。2020年，有人根據一個初級理論，已經預言了一種材料，只需要100千兆帕壓強，就能在0℃將其轉變為超導體。

最后，需要說明的是，當我們談起超導革命的時候，往往想到的是“室溫超導”;但“室溫”并不是一個必需的條件。只要找到一種材料，它相對便宜，可以容易地拉成導線，并能在液氮溫度（77K左右）下工作，就可以啟動這場革命。

例如，這就足可以讓我們更便宜地制造核磁共振掃描儀，擴大其在醫學上的應用。在電力傳輸中也是如此。使用液氮冷卻并不是一個障礙。給電纜制造真空瓶式的外套以阻止液氮過快沸騰，在今天其實是相當容易的事情。

拓展閱讀

超導體將如何改變世界？

在普通高壓電纜的長距離傳輸中，大約10%的電能會被損耗，因此用超導體制造電纜，實現在室溫下零電阻地傳輸電力，將是一個大變革。此外，電流在環形超導體中可以零損耗地持久流動，所以我們可以將來自可再生能源的電力儲存在超導電路中，待到需要的時候再使用。這樣，超導體不僅為我們節省能源，也為我們減少溫室氣體的排放作出貢獻。

使用超導體，用更細的導線即可傳輸更強的電流，這就可以提高電機的發電效率，減輕其體重，在電動汽車中將獲得廣泛的應用。在未來的核聚變反應堆中，由于參加聚變反應的等離子體溫度極高，沒有一種實體的容器能夠“盛放”這種等離子體，所以我們只能求助于用強磁場將其懸浮、限制在空中。這種強磁場，也只有超導體才能提供。