科学家为何热衷研究“室温超导”

龙海涛

超导—20世纪最伟大的科学发现之一

顾名思义，超导就是超级导电。超导体的电阻为零，意味着电子在材料里“跑”的时候没有阻碍。

超导的发现是20世纪最伟大的科学发现之一。1911年，荷兰物理学家海克·开默林—昂内斯发现，把汞冷却到零下269-°C时电阻会突然消失，电子会在其中无阻碍地运动。后来，他又注意到许多金属和合金都具有与汞相类似的特性，他将这种特殊的导电性能称为“超导态”，并将使导体进入超导态的温度称为“超导临界温度”。开默林—昂内斯也因液氦的制备和超导现象的发现，获得了1913年诺贝尔物理学奖。

早期发现的超导体都是金属，但并不是所有的金属在温度低到一定程度时都能出现超导现象，如在常温下导电最好的金、银、铜等金属并不属于超导体。后来人们逐渐发现，除金属元素之外，一些非金属元素、化合物、合金等也是超导体。另外，有些物质在常规环境下不是超导体，但在施加压力后却成了超导体。截至目前，已发现的超导体涉及46种化学元素以及几千种合金和化合物。超导材料的发现，引起了人们的极大兴趣。当前，应用电子技术都基于有电阻的电路，大量能源因普通导体存在电阻而转变为热量白白损耗。如果能实现“室温超导”，则有望使电能极少转变为热量，从而提升导体和装置的效率，极大地推动现有电子技术的发展，让更多精细电子元件应用到人类生活中。

为什么“室温超导”是材料学界的“圣杯”

超导研究是物理学领域一个较小的分支，而且只有100多年的歷史，却已经诞生了10位诺贝尔奖获得者，可见全世界对超导技术的关注程度非同一般。那为什么超导技术还没有走进人们的生活呢？为什么我们还没有用上超导手机、超导电脑、超导电视、超导冰箱呢？原来，超导材料的使用条件过于苛刻：它只能在零下269-°C这样极低的温度中实现“超导”，正常环境下，金属还是存在电阻，电流通过时依然会“受到阻碍”。-要是能在常温下实现“超级导电”该有多好！因此，百余年来，实现“室温超导”就成为科学家们的一个终极梦想。科学家们通过大量的实验尝试和验证，艰难地提升着超导材料的超导临界温度。

开默林—昂内斯发现超导现象之后的40多年，科学家们逐渐发现了更多的超导材料，也陆续提出了几种超导理论。其中，巴丁、库珀和施里弗在1957年提出的BCS理论可谓“集大成者”，能够解释当时发现的几乎全部超导现象。该理论指出，尽管电子通常是相互排斥的，但自旋相反的电子可以形成库珀对，而库珀对是玻色子，在一定温度下（即超导临界温度）就出现玻色凝聚，从而形成超导。1968年，物理学家麦克米兰在BCS超导理论的基础上提出，常压下超导体的超导临界温度不会超过40K（零下233℃），而高压下超导临界温度则会提高。这在物理学界被称为“麦克米兰极限”。在经历了十几年的验证与等待后，1972年，3位BCS理论提出者被授予诺贝尔物理学奖。在BCS理论的指导下，物理学家们发现了更多的超导材料，但超导临界温度一直没有突破。直到1986年，德国和瑞士的物理学家发现了一种铜氧化物陶瓷材料，该材料具有33K的超导临界温度。紧接着，美国和中国科学家在这个体系中合成出了超导临界温度超过77K的钇—钡—铜—氧超导体。这不但突破了BCS理论的预言，也超出了液氮的沸点。用液氮取代液氦做制冷剂，大大降低了研究的成本。直到今天，常压超导临界温度的纪录仍是134K。

“室温超导”实验引起的争议

迪亚斯教授在《自然》杂志发表的论文中，宣称镥-氮-氢化合物在1万个大气压、20.6℃时表现出超导性。相比于目前在170万个大气压、零下58℃的超导纪录，迪亚斯教授的成果不仅使超导临界温度实现了室温，压强也显著地降低—至少在实验室中很容易实现。如果验证为真，这将是百年超导史上最重要的突破之一。然而，不少科学家对这次“室温超导”实验结果的真实性持怀疑态度。一方面，许多人并不相信迪亚斯教授的科研信誉。他曾在高压超导领域两次“乌龙”，而就在半年前，他参与研究的“267万个大气压下的实现15℃碳氢硫化物超导”的成果论文，就因为过度的数据修饰被《自然》杂志撤稿。另一方面，这次论文的数据也有蹊跷，许多数据的处理方式并不符合常规。迪亚斯教授在论文中并未说明样品合成方法，也不愿共享样品，这给其他实验组的复现造成了一定困难。在中国科学院物理研究所两个团队发布的预印本论文中，一个团队在与迪亚斯“室温超导”样品极为相似的镥-氢体系中，仅仅实现218万个大气压下71K（零下202℃）超导，与迪亚斯教授的结果相去甚远；另一个团队在另一种镥-氮-氢化合物中，并未发现高压超导的迹象。

未来，即使科学家证实了迪亚斯教授的成果，“室温超导”距离真正走向实用也还有相当长的距离—1万个大气压的压强，虽然在实验室中容易实现，但距离工程化应用仍然很远。实验室研究的样品，通常是在金刚石对顶砧上加压，只有几十微米大，这个尺度是难以进行电流传输的。所以，无论这次迪亚斯教授的成果是否可靠，“室温超导”的科学探索和工程应用仍旧“路漫漫其修远兮”。

如果未来“室温超导”实现了会怎样

如果未来科学家成功研发出“室温超导”技术，将会是一个重大的突破。它将会带来许多领域的巨大变革，包括能源、计算机、医学、交通运输和环保等领域。同时，它将有助于解决当前超导技术应用中的诸多难题，如制造成本、能源消耗和环境污染等问题。

更高效的能源输送--超导材料具有零电阻的特性，因此可以用于制造高效的能源輸送线路，从而减少电能损失和环境污染。现阶段最高效的特高压交流输电技术，需要经过变电站，以市电电压传输到各家各户，长距离传输会带来电能的损失，造成能源浪费，加重环境污染。零电阻的超导电路，则完全不需要变电站，可以在较低电压下进行高功率传输，零损耗地传输电能，这对能源行业是革命性的变化。“室温超导”的应用将产生更高效、更可靠的输电线路，进而降低消费者的用电成本。

更快速的计算机--“室温超导”技术的突破会对计算机领域带来巨大的影响。量子计算是一种新兴的计算技术，能够处理比传统计算机更复杂的问题。然而，量子计算机的制造和运行需要高度稳定的超导材料。“室温超导”技术可以提高量子计算机的稳定性和可靠性，从而促进量子计算技术的发展。

更加环保的交通工具-磁悬浮列车是一种高速交通工具，它可以悬浮在轨道上并通过磁力驱动运行。磁悬浮列车需要使用超导磁体产生磁场以悬浮车体并使其运行。但目前的超导磁体需要使用液氦来维持低温，这会增加成本和复杂性。如果使用“室温超导”材料制造超导磁体，磁悬浮列车的制造和运营成本将会大大降低，同时也会提高运行效率和安全性能。

新型医学设备--超导技术已经对医学领域产生了重大影响，特别是在核磁共振成像仪（MRI）的发展方面。核磁共振成像仪使用超导磁体产生磁场，用于创建人体的详细图像。然而，将这些磁铁冷却到接近绝对零度的高成本和复杂性限制了核磁共振成像仪的应用范围。“室温超导”材料可以显著降低核磁共振成像仪的成本和复杂性，使其被更广泛地应用。此外，“室温超导”材料可用于开发新的医疗技术，如磁性药物输送系统和用于检测癌细胞的超导传感器等。

环保领域--“室温超导”技术对环境保护领域也有重要的影响。“室温超导”技术可以用于制造更高效的环保设备，如污水处理和废气净化设备。这些设备可以更有效地减少环境污染和提高资源利用率，从而推动环境保护事业的发展。此外，传统的超导技术需要使用液氦来维持超导状态，而液氦的生产和运输会产生大量的二氧化碳排放。如果可以使用“室温超导”技术来代替液氦超导技术，将会降低液氦的使用量，从而减少碳排放量，减轻环境污染。

中国在超导研究与应用方面的贡献

世界超导研究开始于1911年，而中国的超导研究起步于20世纪50年代。赵忠贤于20世纪70年代中期决定从事探索高临界温度超导体研究，并发表文章，提出“超导临界温度能够达到40K至55K”，在当时被认为是很大胆的观点。20世纪80年代，赵忠贤团队推翻了传统理论，向全世界证明超导临界温度是可以突破麦克米兰极限温度的，引发世界物理学界的震动。1987年，赵忠贤团队独立发现了临界温度93K的液氮温区超导体，并在国际上首次公布其元素组成：钇—钡—铜—氧。2008年，中国在高温超导领域再次取得重大突破。赵忠贤院士带领团队将铁基超导体的临界温度提高到了55K，推动中国高温超导研究的迅速发展。很多新的铁基超导材料包括超导机理方面的物性研究，均由中国科学家率先开展。中国科学院电工研究所研究员马衍伟带领科研团队研制出首根铁基超导线材，并于2016年成功制造出全球第一根百米级铁基超导的线材，向铁基超导实用化的道路迈出了坚实的一步。

在超导电缆领域，中国已经实现了落地应用。2013年，上海电缆研究所牵头建成的国内首套30米、35kV、低温绝缘、高温超导电缆在宝钢挂网运行，这标志着我国在实用低温绝缘、高温超导电缆技术中取得重大突破，成为国际上少数成功建设低温绝缘、高温超导电缆工程的国家。2021年，世界首条35千伏千米级超导电缆示范工程在上海正式投运，开创了千米级超导电缆在全球城市核心区域的应用先例。

2021年1月13日，由中国自主研发的世界首台高温超导磁悬浮列车正式试车，在大气环境下，该车的时速可达到惊人的620千米，堪称当今现有陆上最快交通工具，比当今最快的高铁还要快一倍左右。

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。经过研究攻关，研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高100万倍，使我国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。

【责任编辑】蒲 晖