投资界的狂热和科学界的冷静：室温超导 | 袁岚峰_风闻
风云之声-风云之声官方账号-03-12 21:30
最近，室温超导可能成了整个科学界最火的新闻，甚至许多投资家都在恶补超导知识。那么，超导究竟是什么？它在生活中有什么用处？这次新闻中的室温超导是如何实现的？这个结果是真的还是假的？如果是真的，那么意味着什么？是不是我们的生活会发生天翻地覆的变化？下面，我们就来解读这些问题。
超导顾名思义是“超级导电”，实际意思是电阻变成0，即电流不衰减。平时见到的材料都有电阻，所以电流传输时会发热，也就是说电能白白浪费成热能了。即使是我国世界领先的特高压输电技术，也会有15%的电能变成热能。而如果电阻为0，就完全不会发热，电流不会衰减，这是一个巨大的好处。
特高压输电
超导的发现是相当出人意料的。二十世纪初，低温技术取得突破时，许多科学家在预测材料的电阻随温度下降会怎么变化。有人认为随温度下降，电阻应该一直下降，但到绝对零度即0K都一直保持有限值。有人认为正相反，即随温度下降电阻会上升。还有人认为，电阻会在0K时刚好降成0。那么实际结果是什么呢？
不同科学家对金属电阻温度关系的猜测与昂内斯的实测（罗会仟《超导“小时代”》）
1911年，荷兰科学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853 - 1926）做了实验，发现水银即元素汞（Hg）在4.2K时发生一个突变，电阻从有限值突然降成0，在更低的温度下也一直为0。这种行为跟所有人预测的都不一样！大自然不按套路出牌啊！就这样，超导意外地闯入了科学领域。
汞在4.2K的电阻突然降为0（罗会仟《超导“小时代”》）
昂内斯（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/）
你可能会问，这个电阻为0究竟是精确的0，还是一个很低的有限值？
从昂内斯以来，有很多科学家做了测量。结论是超导体的电阻率如果不为0，也比导电性最强的银低10个量级。所以目前看来，它就是精确的0。
几种常见金属的电阻率，超导体的电阻率比其中最低的还低10个量级（罗会仟《超导“小时代”》）
你可能还会问，所有的材料都会出现超导现象吗？
答案非常奇妙，并不是。例如铜、银、金，它们在常温下电阻就很低，但无论把温度降到多低，都不能把电阻降到0。或者说，它们即使有超导，转变温度也比目前人类能实现的温度更低。反过来，有些材料虽然是绝缘体，却可以通过掺杂或加压改造成导体，最终在温度低到一定程度时变成超导体。所以，一种材料究竟有没有超导，仍然是难以预测的。
超导既然有巨大的优势，那么它在日常生活中有没有广泛使用呢？
很遗憾，并没有。如果要去列举超导的应用，也能举出不少，例如医院的核磁共振仪器会用到超导磁体，我国在研制超导磁悬浮列车。但跟其他高科技例如激光相比，超导的应用就少得多了。最明显的，我们平常没有一件家电是超导的。输电线假如换成超导的，固然能减少热损耗，但保持低温的费用会比收益高得多，所以并没有大规模使用。
时速600+ 世界首台高温超导高速磁浮工程化样车下线（https://news.swjtu.edu.cn/shownews-21057.shtml）
超导材料的电学应用举例（罗会仟《超导“小时代”》，由中科院电工所肖立业提供）
在日常生活之外的科研与精密测量领域，超导有不少用处。例如我国的核聚变装置“东方超环”EAST，它的定位就是全世界第一台全超导的托卡马克。为什么要全超导呢？因为用磁场约束等离子体需要强大的电流，如果用常规导线就会严重发热，只有全部用超导导线才能持续工作。
超导磁体在科学研究中的应用（罗会仟《超导“小时代”》，来自中科院等离子所、欧洲核子中心、牛津仪器等）
又如超导量子干涉仪（SQUID），它是测量微弱磁场的精度最高的设备，可以分辨出地磁场的亿分之一甚至更低。
超导量子干涉仪（罗会仟《超导“小时代”》）
量子计算机是目前最火热的研究领域之一，它有若干条技术路线，其中最主流的之一就是超导（中国量子计算机再次突破，九章二号和祖冲之二号是什么意思？| 科技袁人）。因此，超导的应用是处于有巨大潜力、但远未充分发挥的状态。
谷歌的超导量子计算机“悬铃木”
下面的问题是，这次引起轰动的室温超导究竟是怎么回事？
这是Rutgers大学的Ranga Dias教授报告的，说他们用一种Lu-N-H的材料（Lu是71号元素镥，一种稀土金属。镥-氮-氢这名字怎么听着像“卤蛋清”？），实现了最高可达21摄氏度（即294K）的超导，而且只需一万个大气压。294K虽然比科学家平时说的室温300K低一点，但已经非常接近了。真正有趣的是“只需”一万个大气压，——为什么会这么说呢？
2023年3月8日，Ranga Dias教授报告现场
在水银4.2K的超导发现之后，人们就在努力寻找转变温度更高的材料。一个重要的门槛是77K，即液氮的温度。在此之下只能用液氦或液氢来冷却，成本非常高，而在此之上就能用液氮冷却，实用性就大增了。在很长时间内都没有找到这样的材料，甚至还有理论预言超导转变温度不能超过40K，因此人们的热情逐渐冷下去了。然而，1986年，德国科学家Bednorz和瑞士科学家Müller发现了一类铜氧化物材料有超导，而且能突破这个极限。这掀起了一场全世界的热潮，纪录不断被突破，其中中国科学家朱经武、赵忠贤等人做出了很大的贡献，目前在这种体系中的最高纪录达到了165K。
1987年诺贝尔物理学奖授予Bednorz和Müller，因为他们在发现陶瓷材料超导中的重要突破（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/）
朱经武（http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/200906/t20090624_1808797.html）
赵忠贤和屠呦呦获得2016年度国家最高科学技术奖
非常有趣地，超过40K的超导被称为高温超导，或者即使没到40K、但结构跟那些超过的属于同一类的也叫做高温超导。所以超导是一个非常神奇的领域，在这里室温比高温要高！
假如你去问一个科学家，你已经实现了高温超导，请问你的下一个目标是什么？他可能回答你，是室温超导。正如那个中国乒乓球队的笑话：祝贺你获得世界冠军，请问你的下一个目标是什么？回答是：全国冠军。
近年来，继续提高超导转变温度的努力集中在加压上。因为根据某些理论，对含有轻元素（例如最轻的元素H）的物质加压强，有利于它实现超导。在这方面确实也取得了不少成果，例如2015年，德国科学家Drozdov和Eremets在S-H体系中发现了203K的超导，压强为220万个大气压，这是在中国吉林大学马琰铭研究组和崔田研究组的理论预测下实现的（从量子研究看中国科技实力突进）。在这条路径上，纪录已经刷新到了260K。
《203K高压下硫氰化物的传统超导》（https://www.nature.com/articles/nature14964）
各类超导体发现的年代和临界温度，插图为典型的材料结构（《中国科学》）
然而，所有这些实验都需要很高的压强，典型值是几百万个大气压，相当于地核中的压强甚至更高。在实验室中实现这样的压强都很有难度，更不用说工业应用了。因此，Dias这次说的一万个大气压就行，确实是一个巨大的突破，——假如它真实的话。
不过，Dias的信誉有点存疑，因为他已经搞过两次乌龙了。2017年，他和同事宣布在将近500万个大气压下制备出了金属氢，发表在《Science》上。然而当他们准备测量金属氢是否超导的时候，一个误操作把压着样品的高压设备金刚石对顶砧搞坏了，这所谓金属氢的样品消失得无影无踪（超高压下的极端含能材料丨中国工程院院刊）。这是他们的说法，在许多人看来就很有造假的嫌疑。
《观测到变成金属氢的Wigner-Huntington转变》
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aal1579
2020年，他和同事宣布在C-S-H体系中实现288K的室温超导，压强为267万个大气压，发表在《Nature》上。然而在许多人的质疑下，Nature杂志社在2022年把这篇文章撤了稿，虽然Dias等九位作者都不同意。
2022年，《Science》对288 K超导文章撤稿的报道
现在，他们又在《Nature》上发表文章。卫星已经放到第三次了，质疑自然也不会少。所以虽然投资界陷入狂热，学术界却还是很冷静的，无论如何要先验证了结果再说。
《一种氮掺杂镥氢化物中近常温常压超导的迹象》
（https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0）
Ranga Dias等人论文中给出的Lu-N-H超导电性证据：零电阻、抗磁性和比热跃变
当然，我们并不是说这次的结果必然是假的。最有趣的是，一万个大气压对实验室来说是相对容易实现的，所以全世界应该有很多个研究组已经在没日没夜地工作，尝试重复这个结果了。一切归根结底要靠事实说话。
下一个问题是，如果这个结果是真的，就会怎么样？我们的生活会发生天翻地覆的变化吗？
答案很奇妙。假如它是真的，那么它肯定对超导的研究会有巨大的推动。然而要反映到日常生活，却还有相当遥远的距离。
这是因为，超导的应用需要很多条件，远不只是转变温度这一个。在这里，人人都能看出一万个大气压对应用仍然是个不小的障碍。虽然这个压强对实验室来说不算高，但对应用来说就算高了。
此外，还有不那么显而易见的限制，如临界电流密度和临界磁场。超导体的电阻为0有个前提，就是电流不能太大，外加磁场也不能太大，否则它又变成普通物质了。有些材料看似有比较高的超导转变温度，但它的临界电流密度和临界磁场实在太低，因此仍然不堪大用。这就好比高考是要看多门课的总分，如果你偏科太严重，一门满分，其他鸭蛋，那你仍然考不上。
超导体的三个临界参数：临界温度、临界磁场、临界电流密度（罗会仟《超导“小时代”》）
即使温度、电流和磁场的性质都很好，问题还没完，这时我们又要考虑材料制备与加工的成本了。例如有些材料是很脆的陶瓷，加工起来就很困难。即使这些成本都压下去了，还有很多维度的问题要考虑，如它怕不怕空气？怕不怕水？尤其重要的，它有没有毒？一个材料要同时满足这么多要求，是多么困难啊！
所以一个奇妙的现状是，虽然我们已经发现了几万种超导材料，但真正最常用的还是传统的Nb-Ti合金，它的超导转变温度只有9 K！它之所以常用，是因为它的强度、韧性、可重复性都很好。此外还有Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等，超导转变温度也不超过24 K。这说明，温度并不是当前最重要的瓶颈，这个产业要发展起来实在太不容易了。
最后，关于超导的原理，我可以稍微说一下：非常复杂，复杂到现在都远没有透彻理解。可以确认的是，超导是一种宏观量子现象。也就是说，超导必须用量子力学才能理解，用经典力学是完全无法理解的。如果大家想了解量子力学，可以看我的科普书《量子信息简话》。
《量子信息简话》
我的朋友、中国科学院物理研究所研究员罗会仟博士是超导的一线研究者，2022年出版了一本科普书**《超导“小时代”》**，详细介绍了超导的前世、今生和未来。如果大家想深入了解超导，欢迎来看这本书。
《超导“小时代”》
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