旧时王谢堂前燕，何时飞入百姓家？ | 林梅

2023-03-14 12:03

“超导”一词进入人类视野已经一百多年，它美好的前景，虽然遥远，但是每一次的突破性进展都似乎让我们离超导的大规模应用更近了一步，所以一次次引发舆论的沸腾。近日的赌城拉斯维加斯，也同样成了超导舆论的中心。

小小的报告厅里，Ranga Dias 团队宣称其发现“近常压的室温超导体”的消息犹如重磅炸弹，点燃了整个学术界，甚至投资圈。连市井巷陌都在讨论，啥叫室温超导？真的是个很厉害的革命吗？

紧接着，论文在《Nature》上线。

道阻且长

“超导”，你可以理解为超级能导电，到了电阻为0的程度。一百多年前，物理学家Onnes发现它的时候，条件就极为苛刻——汞在4.2 K时才呈现超导电性。4.2 K，意味着比摄氏零度还低将近270度。从此以后，人类就开始了提高超导转变温度的漫长征途。

这百年来的努力，大致可以归纳为——前途很光明，道路很曲折，机理很神秘。

超导现象被发现那会儿，人们还并不能想象它的用途有多广泛，只是，电阻为零这事儿，当时太难以理解，从理论上就吸引了物理学家们的好奇心，而且，电阻为零，不就意味着可以减少很多能量损耗嘛，想也知道用起来有多爽。此外，超导体还有另一种重要的效应——完全抗磁性，也就是著名的迈斯纳效应。超导悬浮列车就是利用了这个效应。

一开始，有一些唯象的理论用来解释超导，解释了部分现象，但也存在明显的缺陷。超导一直像个蒙着面纱的美人，不露真容。直到1957年，约翰·巴丁(John Bardeen)、利昂·库珀(Leon Cooper)和罗伯特·施里佛（Robert Schrieffer）三人提出了著名的BCS理论，人们才比较真切地理解了超导的一些微观机制。BCS理论创造性地提出了Cooper对的概念。原本，用来导电的电子在材料里运动，总要跟原子碰来碰去，损失能量，这就是电阻的成因。但电子因为某种机制，能够两两配对，它们就可以在足够低的温度下，进入一种低能态，低到不会再损失能量了，也就可以在原子中间畅行无阻了。

BCS理论解释了超导的很多实验细节，这一点着实令人欣喜。BCS理论提出后的15年，斩获了诺奖。

但是BCS理论也给了人们一种悲观的情绪——按照BCS的解释，温度是超导性的致命杀手，40 K以上，超导电性就会被破坏。如果这个极限真的无法突破，超导的那些美好前景真的就悬了。你总不能大规模普及零下两百多度的环境吧。

好在，上世纪八十年代，事情出现了转机。德国科学家J. Georg Bednorz和瑞士科学家K. Alexander Müller宣布发现了30 K以上的铜氧化物超导体，突破了当时的纪录。很快，铜氧化物的超导研究迎来了高潮，很快就远远超过了所谓40 K极限的预言。虽然这个时候，超导的温度还是很低，但至少版图扩展到了液氮温区，有了一定的应用场景。而且，对40 K极限预言的突破，也预示着，超导的机理还有我们不曾理解的部分。

进入二十一世纪后，超导的研究仍在继续。尤其是日本科学家发现LaFeAsO体系的超导之后，铁基超导成了大热门。因为按照传统理论，铁、镍这种铁磁元素和超导是死对头，打死也不能共存，所以这一发现很快引发了凝聚态物理领域的跟进，人们希望借此找到高温超导的新机制。中国人在这波竞争中，成就斐然，很快交出了55 K高临界温度的傲人答卷。后来的几年，各种铁基超导材料成为了一个庞大的家族。

在追求提高转变温度的征途上，高压成为了一种主流的技术。2015年，德国物理学家Mikhail Eremets发现硫化氢在150万个大气压的极高压力下，转变温度能达到203 K。这个温度已经非常接近“常温”，刷新了超导临界温度的最高记录。虽然150万个大气压给超导应用套上了另一层紧箍咒，但至少，提示了一种路径——能否找到一种压力和温度都比较适合实际应用的材料呢？于是，压力和温度就成了近十年来高温超导研究的关键词。

前途是否一片光明？

这样一路梳理下来，你也一定能感到这条路有多不容易：微观机理了解不完全，现实条件又总是如此严苛，时不时冒出一些进展和希望，动不动被证明是乌龙。那么，超导究竟有什么样的魅力，能让人们这样前赴后继乐此不疲呢？

归根结底，还是它的应用前景太诱人了。如果实现超导的条件不再那么严苛，几乎所有能用到电和磁的技术都会迎来一场革命。

大体上，可以分为强电领域和弱电领域。

强电方面，最直接的，传输电能不再有损耗了，不但成本大大降低，输电的稳定性、安全性都会大大提高；

对于未来终极能源——磁约束可控核聚变来说，常温超导将是个巨大的利好。因为现在的托克马克工程上有个很大的问题，发生核聚变的大炉子温度高达上亿度，而维持强磁场所需的超导需要4 K，也就是摄氏零下269度的温度。怎么把这两个极端差异的温度放在同一台装置里面，是个巨大的难题。如果常温超导实现了，工程上会大大迈进一步，成本也会大大降低。

还有我们接触比较多的核磁共振成像技术（NMR），磁场越强，分辨率越好。如果超导条件比较容易达到，核磁共振将不再那么稀少和昂贵。搞不好一家小医院的桌子上都可以摆一台，图像的质量也会大大提高。

在弱电方面，超导的应用同样广泛，精密测量、微波通信都可以大显身手，只不过大多数人的生活中不常遇到。比如，超导量子干涉仪（SQUID）就是利用了约瑟夫森（Josephson）超导隧道效应。这个重要的效应说的是：被一薄势垒层分开的两块超导体，构成一个约瑟夫森隧道结，两者之间会出现隧穿电流。当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后，隧道结两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化频率的函数。这样，与磁通量有关的物理量，就都能用它来测量。而且，约瑟夫森结可用来作为超导量子计算的核心部件——超导量子比特。所以，室温超导对于量子计算的升级和实用化也有着重要意义。

当然，在一片高歌猛进声中，也有不少科学家对于超导的大规模应用前景表现出谨慎。中科院物理所罗会仟研究员多次在不同场合提醒，即使压力和温度条件不再苛刻，也不意味着大规模应用就立马到来，因为超导的实际应用非常复杂，临界磁场、临界电流密度都要达到要求，更不用说量产过程中存在的种种工艺难点。

当然，路虽远，行则将至。实现梦想也要一步步走。

这次的大新闻可信吗？

具体到这次的重磅炸弹，大家都在问，结论可信吗？

按照团队公布的结果，这次的材料有点非主流：镥氮氢体系。镥元素在之前的工作中可不太常见。这次，他们是在10 kbar压强下（一万个大气压）、最高转变温度为294 K（约21摄氏度）实现的超导。这个数据，温度基本就是室温了，压力呢，团队用了“近常压”的表述。虽然这个表述是否准确，见仁见智，但基本是商用设备可以达到的压强了，比之前的结果有了数量级的提升。

和作者之前的工作相比，此次的数据还是比较完备的，显然是有备而来。为了从多个角度支持超导实现的结论，他们既测量了电阻和磁化率随温度的变化，还测量了比热的数据，还给出了X射线衍射的结果。原始数据也可供下载。从数据和绘图上看，还是有一定可靠性的。