【进展中的科学】室温超导体将如何改变科学？

这些珍贵材料将改变人类的科研——不过它们得先具备一些基本品质。

原文2023年9月1日发表于《Nature》期刊（详情见文后），由”几只青椒“公众号翻译。

世界上最强的超导磁体之一，由Commonwealth Fusion Systems制造，用于核聚变技术的开发。

LK-99（要改变世界的紫色晶体）引起了兴奋，浪潮现已平息。研究表明，它不是超导体。但有个问题还在：真的室温超导体，会是革命性的吗？

是，不过也要看用在哪里，另外要看这种材料是否还具有其他关键品质。不过，在某些科学领域（特别是那些使用强磁场的科学领域），更优的超导体可能带来巨大的影响。

超导体指的是一种材料，它在一定温度下开始无电阻地传导电流，因此不会有热能浪费。 然而，所有已证实的超导体仅在低温或极压或两者兼而有之的情况下才表现出这种特性。 在一般条件下（室温和环境压力下）能转变成超导的材料，科学家还在寻找。

超导体要求处于低温，这严重限制了它们在日常应用中的使用。尽管如此，这些材料在实验室中无处不在，研究人员有一系列技术来降温。所以它可行，只不过通常会增加实验的成本和复杂性。

一个极端的例子是大型强子对撞机 (LHC)，它是位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究中心 (CERN) 的一台加速器。 为了让质子保持绕27公里的圆周运动，大型强子对撞机使用温度保持在1.9开尔文 (–271.25 ºC) 的超导线圈产生强磁场。为此，需要一个含有96吨液氦的低温系统，这是世界上同类系统中最大的。“如果不需要极端温度，工程会更简单，”欧洲核子研究组织 (CERN) 磁体研究员、核工程师Luca Bottura 说。

这么说来，在室温或接近室温下工作的超导体将迅速彻底改变许多科学领域？没那么快。

量子问题

量子计算机这一新兴技术，有望解决传统计算机无法完成的某些任务。 构建量子计算机的主要方法之一是将信息存储在超导材料环中。它们在昂贵的稀释制冷机（设备长得像俄罗斯套娃）中被冷却到接近绝对零（−273.15 ℃）。

在基于超导体的量子计算机中，当温度升高哪怕是零点几度时，性能都会迅速下降——但与超导性无关。 超导量子计算的联合发明人、日本和光市 RIKEN 的物理学家 Yasunobu Nakamura 表示，量子计算对任何类型的噪声都极其敏感，而热振动是一个主要敌人，它会产生虚假的“准粒子”。 “在 100-150 毫开尔文左右的温度，我们就开始看到热激发准粒子的不良效应，”Nakamura说道。

还有些实验，本身可能不需要极冷，但超导体可能仍然需要处于比转变为超导的温度（称为 Tc）低得多的环境。超导体的物理特性各不相同，在许多应用中——尤其是高场磁体——另外两个特性至关重要。它们被称为临界电流和临界磁场。 超导性不仅会在温度升高时丧失，而且当材料被推以承载超过一定量的电流或暴露于足够高的磁场时也会丧失。

装有高温超导磁体的低温恒温器，麻省理工学院

至关重要的是，临界场和临界电流都与温度有关：温度越低，材料可以承受的电流和磁场就越高。 因此，仅仅因为超导体具有高 Tc，并不意味着它可以在低于 Tc 的任何温度下使用。 在许多应用中，超导体的性能会随着系统变冷而提高。

幸运的是，迄今为止发现的最好的超导体，包括一类称为氧化铜（或铜酸盐）超导体的超导体，在保持足够冷的情况下也可以承受非常高的磁场。

领域发展

四年前，位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家强磁场实验室 (NHMFL) 的研究者使用铜酸盐获得了稳定（而非脉冲）磁场强度的最高纪录。 NHMFL的超导线圈产生45.5特斯拉的磁场。不过它得在液氦中，即低于4.2 开尔文。NHMFL首席科学家、物理学家Laura Greene表示：“我们使用高温超导体不是因为它的Tc很高，而是因为它们的临界磁场很高。”

“如果想要一个强场磁体，就需要在尽可能低的温度下运行，因为这样你才能让超导真正发挥力量，”另一个新泽西州的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、美国国家实验室的机械和电气工程师 Yuhu Zhai 说 。

欧洲核子研究中心正在探索未来粒子对撞机，最终碰撞质子的能量将是大型强子对撞机的七倍——物理学家希望他们能够在这个范围内发现新的基本粒子。 为了达到更高的能量，必须使用更高的场或沿着更长的加速器环路或两者来加速粒子。 为了建造这样一台机器，物理学家梦想在大型强子对撞机隧道旁边挖一条长达 100 公里的圆形隧道。 但即使有如此大的环路，像 LHC 这样的超导磁体（带有铌钛线圈的 8 特斯拉怪物）也无法产生所需的磁场（估计为 16 到 18 特斯拉）。 “很明显，我们此时必须转向其他材料，”Bottura说。

目前的高温超导体可以实现这一目标——但或许必须保持在液氦温度下。 中国的一个类似的加速器提案——环形正负电子对撞机，也将使用高温磁体。 “我们研究高温超导材料已经有一段时间了，主要是铜酸盐和铁基材料，”北京高能物理研究所所长王一方说。

临界电流

然而，氧化铜基超导体有其他缺点：它们是脆性陶瓷，生产成本和设计成电缆的成本很高。 王说，它们的临界电流仍然太低。 他补充说，另一类铁基超导体原则上可以表现更好，而成本只有氧化铜的一半。

Bottura和其他人正在研究一种全新类型加速器的可行性，通过用μ子（类似于电子但质量大 207 倍的粒子）取代质子。对撞机可以研究与 100 公里质子-质子对撞机类似的物理，但环小得多，甚至小到可以放入现有的大型强子对撞机隧道。 

让μ子绕圈运动并不涉及特别强的磁场。 但问题是，产生具有合理特性的 μ 子束可能需要高达40特斯拉的磁铁。

Bottura表示，在这种强度下，“问题不再是超导体，而是如何将线圈保持在适当的位置”。 电磁线圈内的电流往往会将磁铁推开。 在 40 特斯拉的压力下，即使是最坚固的钢材也无法承受机械应力。 因此，磁铁可能必须使用更坚固的材料（例如碳纤维）来控制。 （NHMFL要求并不那么严格，它需要在仅几厘米宽的空间中产生高磁场。）

因此，对质子和μ子对撞机，如果出现的超导体比现有的性能好得多，可能产生的影响是巨大的，但也会出现其他工程上的挑战。

核聚变之旅

对另一类机器（旨在利用核聚变能量的机器），结构强度已经构成了严重的限制。 一种长期存在的聚变方法尝试使用排列成环形（称为托卡马克）的磁铁来限制等离子体。 等离子体被加热到数百万度，将各种氢同位素撞到一起。法国南部正在建造世界上最大的托卡马克实验装置 ITER ，它将使用大型液氦冷却磁体来产生近 12 特斯拉的磁场。

但出于多种原因，工业界和公共资助的实验室都在推动设计基于高温超导体的托卡马克磁体，Zhai说。 更高的磁场可以大大提高聚变反应堆燃烧燃料的速度，从而增加可产生的能量——至少在原理上如此。而从聚变中提取能量的许多关键步骤尚未得到证实。一项积极成果来自工业界，增加高 Tc 磁性材料产量让其成本下降。 （然而，它们仍然比铌钛合金贵得多。）

Zhai还说，托卡马克最终会放弃液氦冷却，这不仅仅是因为冷却系统建造起来很复杂。还因为氦气是一种稀缺资源，建造数百个使用氦气的ITER规模的反应堆是不可行的。

Greene说，寻找更好的超导材料是一项高风险的任务，因为迄今为止成功的案例很少。 尽管如此，她补充道，“这是一项艰苦的工作，也是一项令人兴奋的工作，它正在改变世界。”

原文：

Davide Castelvecchi，How would room-temperature superconductors change science?https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8

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