科學家為何熱衷研究“室溫超導”

龍海濤

超導—20世紀最偉大的科學發現之一

顧名思義，超導就是超級導電。超導體的電阻為零，意味著電子在材料里“跑”的時候沒有阻礙。

超導的發現是20世紀最偉大的科學發現之一。1911年，荷蘭物理學家海克·開默林—昂內斯發現，把汞冷卻到零下269-°C時電阻會突然消失，電子會在其中無阻礙地運動。后來，他又注意到許多金屬和合金都具有與汞相類似的特性，他將這種特殊的導電性能稱為“超導態”，并將使導體進入超導態的溫度稱為“超導臨界溫度”。開默林—昂內斯也因液氦的制備和超導現象的發現，獲得了1913年諾貝爾物理學獎。

早期發現的超導體都是金屬，但并不是所有的金屬在溫度低到一定程度時都能出現超導現象，如在常溫下導電最好的金、銀、銅等金屬并不屬于超導體。后來人們逐漸發現，除金屬元素之外，一些非金屬元素、化合物、合金等也是超導體。另外，有些物質在常規環境下不是超導體，但在施加壓力后卻成了超導體。截至目前，已發現的超導體涉及46種化學元素以及幾千種合金和化合物。超導材料的發現，引起了人們的極大興趣。當前，應用電子技術都基于有電阻的電路，大量能源因普通導體存在電阻而轉變為熱量白白損耗。如果能實現“室溫超導”，則有望使電能極少轉變為熱量，從而提升導體和裝置的效率，極大地推動現有電子技術的發展，讓更多精細電子元件應用到人類生活中。

為什么“室溫超導”是材料學界的“圣杯”

超導研究是物理學領域一個較小的分支，而且只有100多年的歷史，卻已經誕生了10位諾貝爾獎獲得者，可見全世界對超導技術的關注程度非同一般。那為什么超導技術還沒有走進人們的生活呢？為什么我們還沒有用上超導手機、超導電腦、超導電視、超導冰箱呢？原來，超導材料的使用條件過于苛刻：它只能在零下269-°C這樣極低的溫度中實現“超導”，正常環境下，金屬還是存在電阻，電流通過時依然會“受到阻礙”。-要是能在常溫下實現“超級導電”該有多好！因此，百余年來，實現“室溫超導”就成為科學家們的一個終極夢想。科學家們通過大量的實驗嘗試和驗證，艱難地提升著超導材料的超導臨界溫度。

開默林—昂內斯發現超導現象之后的40多年，科學家們逐漸發現了更多的超導材料，也陸續提出了幾種超導理論。其中，巴丁、庫珀和施里弗在1957年提出的BCS理論可謂“集大成者”，能夠解釋當時發現的幾乎全部超導現象。該理論指出，盡管電子通常是相互排斥的，但自旋相反的電子可以形成庫珀對，而庫珀對是玻色子，在一定溫度下（即超導臨界溫度）就出現玻色凝聚，從而形成超導。1968年，物理學家麥克米蘭在BCS超導理論的基礎上提出，常壓下超導體的超導臨界溫度不會超過40K（零下233℃），而高壓下超導臨界溫度則會提高。這在物理學界被稱為“麥克米蘭極限”。在經歷了十幾年的驗證與等待后，1972年，3位BCS理論提出者被授予諾貝爾物理學獎。在BCS理論的指導下，物理學家們發現了更多的超導材料，但超導臨界溫度一直沒有突破。直到1986年，德國和瑞士的物理學家發現了一種銅氧化物陶瓷材料，該材料具有33K的超導臨界溫度。緊接著，美國和中國科學家在這個體系中合成出了超導臨界溫度超過77K的釔—鋇—銅—氧超導體。這不但突破了BCS理論的預言，也超出了液氮的沸點。用液氮取代液氦做制冷劑，大大降低了研究的成本。直到今天，常壓超導臨界溫度的紀錄仍是134K。

“室溫超導”實驗引起的爭議

迪亞斯教授在《自然》雜志發表的論文中，宣稱镥-氮-氫化合物在1萬個大氣壓、20.6℃時表現出超導性。相比于目前在170萬個大氣壓、零下58℃的超導紀錄，迪亞斯教授的成果不僅使超導臨界溫度實現了室溫，壓強也顯著地降低—至少在實驗室中很容易實現。如果驗證為真，這將是百年超導史上最重要的突破之一。然而，不少科學家對這次“室溫超導”實驗結果的真實性持懷疑態度。一方面，許多人并不相信迪亞斯教授的科研信譽。他曾在高壓超導領域兩次“烏龍”，而就在半年前，他參與研究的“267萬個大氣壓下的實現15℃碳氫硫化物超導”的成果論文，就因為過度的數據修飾被《自然》雜志撤稿。另一方面，這次論文的數據也有蹊蹺，許多數據的處理方式并不符合常規。迪亞斯教授在論文中并未說明樣品合成方法，也不愿共享樣品，這給其他實驗組的復現造成了一定困難。在中國科學院物理研究所兩個團隊發布的預印本論文中，一個團隊在與迪亞斯“室溫超導”樣品極為相似的镥-氫體系中，僅僅實現218萬個大氣壓下71K（零下202℃）超導，與迪亞斯教授的結果相去甚遠；另一個團隊在另一種镥-氮-氫化合物中，并未發現高壓超導的跡象。

未來，即使科學家證實了迪亞斯教授的成果，“室溫超導”距離真正走向實用也還有相當長的距離—1萬個大氣壓的壓強，雖然在實驗室中容易實現，但距離工程化應用仍然很遠。實驗室研究的樣品，通常是在金剛石對頂砧上加壓，只有幾十微米大，這個尺度是難以進行電流傳輸的。所以，無論這次迪亞斯教授的成果是否可靠，“室溫超導”的科學探索和工程應用仍舊“路漫漫其修遠兮”。

如果未來“室溫超導”實現了會怎樣

如果未來科學家成功研發出“室溫超導”技術，將會是一個重大的突破。它將會帶來許多領域的巨大變革，包括能源、計算機、醫學、交通運輸和環保等領域。同時，它將有助于解決當前超導技術應用中的諸多難題，如制造成本、能源消耗和環境污染等問題。

更高效的能源輸送--超導材料具有零電阻的特性，因此可以用于制造高效的能源輸送線路，從而減少電能損失和環境污染。現階段最高效的特高壓交流輸電技術，需要經過變電站，以市電電壓傳輸到各家各戶，長距離傳輸會帶來電能的損失，造成能源浪費，加重環境污染。零電阻的超導電路，則完全不需要變電站，可以在較低電壓下進行高功率傳輸，零損耗地傳輸電能，這對能源行業是革命性的變化。“室溫超導”的應用將產生更高效、更可靠的輸電線路，進而降低消費者的用電成本。

更快速的計算機--“室溫超導”技術的突破會對計算機領域帶來巨大的影響。量子計算是一種新興的計算技術，能夠處理比傳統計算機更復雜的問題。然而，量子計算機的制造和運行需要高度穩定的超導材料。“室溫超導”技術可以提高量子計算機的穩定性和可靠性，從而促進量子計算技術的發展。

更加環保的交通工具-磁懸浮列車是一種高速交通工具，它可以懸浮在軌道上并通過磁力驅動運行。磁懸浮列車需要使用超導磁體產生磁場以懸浮車體并使其運行。但目前的超導磁體需要使用液氦來維持低溫，這會增加成本和復雜性。如果使用“室溫超導”材料制造超導磁體，磁懸浮列車的制造和運營成本將會大大降低，同時也會提高運行效率和安全性能。

新型醫學設備--超導技術已經對醫學領域產生了重大影響，特別是在核磁共振成像儀（MRI）的發展方面。核磁共振成像儀使用超導磁體產生磁場，用于創建人體的詳細圖像。然而，將這些磁鐵冷卻到接近絕對零度的高成本和復雜性限制了核磁共振成像儀的應用范圍。“室溫超導”材料可以顯著降低核磁共振成像儀的成本和復雜性，使其被更廣泛地應用。此外，“室溫超導”材料可用于開發新的醫療技術，如磁性藥物輸送系統和用于檢測癌細胞的超導傳感器等。

環保領域--“室溫超導”技術對環境保護領域也有重要的影響。“室溫超導”技術可以用于制造更高效的環保設備，如污水處理和廢氣凈化設備。這些設備可以更有效地減少環境污染和提高資源利用率，從而推動環境保護事業的發展。此外，傳統的超導技術需要使用液氦來維持超導狀態，而液氦的生產和運輸會產生大量的二氧化碳排放。如果可以使用“室溫超導”技術來代替液氦超導技術，將會降低液氦的使用量，從而減少碳排放量，減輕環境污染。

中國在超導研究與應用方面的貢獻

世界超導研究開始于1911年，而中國的超導研究起步于20世紀50年代。趙忠賢于20世紀70年代中期決定從事探索高臨界溫度超導體研究，并發表文章，提出“超導臨界溫度能夠達到40K至55K”，在當時被認為是很大膽的觀點。20世紀80年代，趙忠賢團隊推翻了傳統理論，向全世界證明超導臨界溫度是可以突破麥克米蘭極限溫度的，引發世界物理學界的震動。1987年，趙忠賢團隊獨立發現了臨界溫度93K的液氮溫區超導體，并在國際上首次公布其元素組成：釔—鋇—銅—氧。2008年，中國在高溫超導領域再次取得重大突破。趙忠賢院士帶領團隊將鐵基超導體的臨界溫度提高到了55K，推動中國高溫超導研究的迅速發展。很多新的鐵基超導材料包括超導機理方面的物性研究，均由中國科學家率先開展。中國科學院電工研究所研究員馬衍偉帶領科研團隊研制出首根鐵基超導線材，并于2016年成功制造出全球第一根百米級鐵基超導的線材，向鐵基超導實用化的道路邁出了堅實的一步。

在超導電纜領域，中國已經實現了落地應用。2013年，上海電纜研究所牽頭建成的國內首套30米、35kV、低溫絕緣、高溫超導電纜在寶鋼掛網運行，這標志著我國在實用低溫絕緣、高溫超導電纜技術中取得重大突破，成為國際上少數成功建設低溫絕緣、高溫超導電纜工程的國家。2021年，世界首條35千伏千米級超導電纜示范工程在上海正式投運，開創了千米級超導電纜在全球城市核心區域的應用先例。

2021年1月13日，由中國自主研發的世界首臺高溫超導磁懸浮列車正式試車，在大氣環境下，該車的時速可達到驚人的620千米，堪稱當今現有陸上最快交通工具，比當今最快的高鐵還要快一倍左右。

中國科學院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展，使我國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。經過研究攻關，研究團隊構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，計算復雜度比谷歌的超導量子計算原型機“懸鈴木”高100萬倍，使我國首次在超導體系達到了“量子計算優越性”里程碑。

【責任編輯】蒲 暉