“乌龙”过后，室温超导何时改变世界？

2023-05-04知平

看世界 2023年7期

知平

2022年4月13日，俄罗斯在莫斯科州建设的重离子超导同步加速器

“常温常压超导和可控核聚变都是遥不可及的，宇宙决不允许人类近乎神灵。”这是物理圈对这两种能源技术的总结。

但就在美国拉斯维加斯举办的美国物理学会3月会议上，一则颠覆物理学的消息被传出—美国科学家实现室温超导颠覆性突破。当美国罗切斯特大学物理学家朗加·迪亚斯宣布，其团队已经创造出在室温条件下工作的“超导体”时，许多科学家疯狂拥入会场，争抢着来见证这一历史性的时刻。

但转折很快出现：在受到全球多位业内专业人士质疑、同等条件试验考查后，迪亚斯宣布，由于材料丢失了，所以试验的结果没法再重现了。无论如何，“室温超导”正在迅速走红，甚至在近日带动了多支超导概念股涨停。人们纷纷发问，属于人类的室温超导时代，真的会有来临的一天吗？

美国罗切斯特大学物理学家朗加·迪亚斯

什么是超导？一般来说，物质在超低温的环境下，失去电阻的特性，被称为超导电性，而相应拥有这种特性的物质就被称为超导体，或超导材料。超导材料最独特的性能就是在通电时，电能在输送的过程中损耗几乎为零，同时可以形成强磁场。

从该特性出发，假如人类真的实现常温超导，这将意味着什么？首先，这会掀起一场史无前例的技术革命：超导体的电阻一旦为零，意味着人类电网电力传输不再会有损耗，所有工业变速装置都可以停用，磁悬浮车满天飞；各种电机效率直接飙升，电子设备CPU性能猛进；所有电子产品都能微型化，一切有关电和磁的技术都会得到突飞猛进。

超导体的电阻一旦为零，意味着人类电网电力传输不再会有损耗。

人类从第一次发现超导现象至今，已经过去了100多年。我们能在一些特殊条件下应用超导體，但想要在常温常压条件下实现超导，这几乎是不可能的事，因为地球上没有现存的物质作为超导材料。而这次美国研究团队的突破，就在于其声称，研究出来的新材料能在常温下实现超导。

根据介绍，该团队是将氢、氮和镥混合后，放入一个叫作金刚石压砧的装置中，然后将压力增加到了10千巴（大约是大气压的1万倍），最终合成了超导材料，然后在21摄氏度的室温条件下，将这种材料通电，测得的电阻为零。

美国这个研究团队，关键突破点在于，找到了室温下实现无损耗导电的材料。这样看起来简单的温度突破，弄得物理学界各个大佬连夜探究真假，但事实上，真的有传得那么神乎其神吗？

其实，迪亚斯刚宣布试验结果，就引起了不少争议。这其中关键之一在于，他不仅有“造假”前科，而且这也不是其第一次发表有关超导现象的言论。早在2017年他在哈佛担任博士后的时候，他就曾在495GPa的高压条件下实现了金属氢，也引起了非常大的轰动。

要知道，氢一般以氢气这种气体形式存在，但制备成金属状态后，它不仅能作为人类最强的火箭推进剂，而且能制作成高能炸药，实现核聚变。金属氢还是一种超导材料，输电效率可以达到99.7%。

但是，金属氢的制备条件非常严苛和极端—在迪亚斯宣布带领团队研究成功后，该团队又对外宣称，因操作失误导致金属氢消失了，再想重复步骤搞金属氢，却搞不出来了，所以引起了不少同行的怀疑。

后来，迪亚斯入职罗切斯特大学后，在2020年成功在《自然》杂志上刊登了一篇室温超导的论文，文中直言“这是人类首次实现室温超导”，又引起了物理学界的轰动。

低温物理学奠基人卡麦林

结果，戏剧性一幕来了：论文一经发布，质疑声不断，很多实验室课题组根据论文，根本就不能重复室温超导现象，而且，有人还证明了有关数据存在捏造嫌疑。随着质疑声浪一阵接着一阵，《自然》杂志最后直接将他的争议论文撤稿了。

有了以上两次事件的折腾，当3月份这次超导突破消息出来时，很多人还是持有质疑态度。

外界普遍认为，如果迪亚斯的实验被公认，那么2023年的诺贝尔物理学奖肯定非他莫属了。但想要拿奖，还有一个关键步骤要走，那就是“复现试验”。

紧随其后，各国有实力的科研团队和课题组马上跟进，在迪亚斯团队公布的数据条件下重复试验—如果能得到跟迪亚斯团队相同的试验结果，这项超前的物理成就才算是板上钉钉了。

但迪亚斯团队拒绝公开具体的研究数据和步骤，并且，在其公布取得突破后，在短短几天时间内，来自中国的包括中科院物理所、南京大学在内的几个科研团队，都陆续发布了相关实验结果，无一例外对此给出了否定结论。

其实，想要实现超导，并非只有常温常压条件下才行，常温高压和超低温两种情况，满足之一也可以实现，但常温常压实现超导，才可以真正将其普及开来。而迪亚斯的这次实验即使属实，也只是在常温高压条件下实现的，只不过大气压降到了1万个大气压—想要实现这1万个大气压，也是非常困难的，尽管和将温度降到零下200摄氏度相比，要更加容易和便宜。

在各种常温超导消息刷屏的时候，还有声音传出来称，“美国的室温超导技术将拉开中国跟世界上百年的差距”—这属于夸大其词：如果是常温常压，倒是有可能；但这次实验虽然是在常温环境下，但却是在模拟极高压强情况下实现的，即使能够证实，也会停留在实验室一段时间，离产业规模化仍有很长一段距离。

1911年，荷兰莱顿实验室的卡麦林将汞周围温度降至零下268摄氏度左右，发现汞的电阻完全消失，这个温度就是汞成为超导体的临界温度。

上百年过去了，人类已经发现了数万种超导体，它们大体上可分为两类：临界温度低于零下248摄氏度的低温超导体，和临界温度高于零下243度的高温超导体。

低温超导体主要包括NbTi、Nb3Sn和Nb3Al等，制备工艺在上世纪60年代就已经趋于成熟，像加速器磁体、核聚变超导磁体、核磁共振磁体等，都要用到。低温超导体在核聚变实验中用得比较多，目前全球多国合作的国际热核聚变实验堆ITER计划，中国在2006年就加入了。这是中国低温超导材料发展的一次机遇，也为我国聚变工程实验堆（CFETR）、超级质子对撞机（SppC）和自主开发医疗核磁共振（MRI）打下了基础。

在民用领域实用价值相对较高的高温超导体，总结来说经历了以铋系为主的第一代高温超导材料、以钇系为主的第二代高温超导材料，而在进入21世纪后，铁基超导材料开始成为新一代具有实际应用潜力的超导体。

2008年，东京工业大学首次报道了临界温度较高的铁基超导体，引发了物理学界的强烈关注。这则消息很快被中国科学家抓住并利用起来，成就了中国超导体研究的腾飞。

在超导体研究这一块，中国在全球属于顶尖水平。目前，中国的科研人员在高温超导领域有两次著名的重大突破：一次是上世纪80年代，独立发现了液氮温区铜氧化物高温超导体；另一次是发现了转变温度在50K（约为零下223摄氏度）以上的铁基高温超导体，两次发现都获得了国家自然科学奖一等奖。

这两次突破，都是中科院院士赵忠贤带领团队搞的。其实，国内超导刚起步时，已经落后国外近半个世纪，正是赵忠贤团队搞出了铜氧化物超导体，才抓住了超导研究的尾巴。

在进入1990年代后，该团队通过铜氧化物探索超导，已经遇到瓶颈—正是2008年日本铁基超导消息传出后，国内中科大团队成功证明铁基超导体是高温超导体，4天后，赵忠贤团队利用轻稀土元素替代和高温高压，成功实现了铁基超导体，直接在全球掀起了高温超导研究的第二个热潮，将中国超导研究拉到了国际前沿。《科学》杂志更是直言：“新超导体将中国物理学家推到前沿，在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。”

2018年，中国在超导领域还出了一个天才少年曹原。当时，21岁的曹原连续在《自然》杂志上成功刊登了两篇文章，论证了双层石墨烯在特定情况下，会产生超导现象，又开辟了超导研究的新方向。

超导材料和核聚变密不可分。常温常压超导材料的重大突破，很可能是第四次工业革命的开始。在全球能源愈发短缺的时代，这将是全球科学界攻坚的重点。

2016年5月26日，成都，全球首个真空管道高温超导磁悬浮车试验平台

2022年8月27日，合肥，全超导托卡马克核聚变实验装置

2022年7月22日，浙江大学“太元一号”超导量子计算云平台

在未来，由于MRI、MCZ（磁控直拉技术）、加速器、受控热核聚变等应用的跨阶式增长，对低温超导材料的需求将会极大增加。

具體来看，短期阶段内，医用领域磁共振成像仪应用低温超导线材的需求，将会有极大增长；中期阶段来看，大尺寸半导体级单晶硅的技术迭代升级，将加速国产化替代，并拉动MCZ市场的发展，重离子加速器项目等国家重点工程也会拉动低温超导材料的需求；而长期来看，受控核聚变以及超导磁悬浮等项目的突破，将是新低温超导材料被发掘的机遇所在。