首個室溫超導體來了，超導技術的春天到了嗎？

人類夢寐以求的室溫超導體終於來了！用昂貴鑽石打造首個室溫超導體的研究有什麼意義？走進生活，常溫常壓的超導材料還有多遠？

撰文/記者 王雪瑩 編輯/吉菁菁

新媒體編輯/呂冰心

採訪專家：

李濤（中國人民大學物理系教授）

幾十顆鑽石能用來做什麼？用來裝點富麗堂皇的殿堂，還是用去製作精美燦爛的珠寶？近日，一群來自美國羅切斯特大學的科學家用事實告訴人們，這些造價不菲的美麗石頭不止能"錦上添花"，還能"無中生有"地幫人類在室溫下製造出超導體！

▲在此次的研究中，羅切斯特大學使用了特殊的金剛砧，其主要構成則是兩顆"尖對尖"的鑽石。（圖源：羅切斯特大學）

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昂貴鑽石，打造首個室溫超導體

據了解，羅切斯特大學研究團隊發現的這種超導材料其實是一種碳硫氫化物。這種氫化物在巨大壓力的作用之下，能在15°C左右的室溫進入超導狀態。在很多人看來，此次的發現讓人類距離發現"常溫常壓的超導材料"又近了一步，然而事實上，羅切斯特團隊的成果更多地是一次站在巨人肩膀上的遠眺。

早在2015年8月，德國馬克思·普朗克化學研究所（以下簡稱馬普所）物理學家Mikhail Eremets及其團隊就曾發現，氫硫化合物能在-70°左右的溫度下出現超導現象。四年後，這一團隊又取得了新突破，發現十氫化鑭這種物質在高壓條件下，進入超導狀態只需要-23°C。

在這些前人的基礎上，羅切斯特大學的研究人員嘗試將碳、硫、氫三種元素混合，並利用金剛石砧——此處便是前文所提"最燒錢"的實驗環節：這個金剛石砧主要由兩顆尖對尖"親密接觸"的鑽石組成，通過配合密封墊一起使用，這兩顆鑽石就能產生幾百萬個大氣壓。

溫度降低時，這種材料通過的電流電阻會明顯降低，當壓力增加到175萬個大氣壓時，材料在-93°C時就會發生超導轉變。如果將壓力慢慢增加，那麼這種材料進入超導狀態的溫度也會隨之提升。

按這一思路，羅切斯特大學研究團隊幾經嘗試最終發現，在267萬個大氣壓，這種材料只需在15°C的室溫條件下，其電流電阻就能歸零。換而言之，人類夢寐以求的室溫超導體終於來了。

▲因為具有完全抗磁性特性而懸浮於空中的超導體。（圖註：Quanta）

據了解，此次項目的主要負責人、羅切斯特大學物理學家Ranga Dias曾半開玩笑半認真地說，研究過程中團隊所面臨的最大問題是金剛石的預算——每對鑽石至少要3000美元，而他們僅僅是在實驗中就用廢了至少幾十顆，研究成本實在不菲。但轉念一想，就連權威國際期刊《自然》都特意為其騰出了一期封面以示慶賀，用廢這幾十顆鑽石的"代價"幾乎可以忽略不計了。

▲《自然》雜誌的室溫超導體封面。（圖源：Nature）

對此，哥倫比亞大學物理學家Chris Pickard認為此次發現"具有裡程碑意義"，就連Mikhail Eremets在接受《自然》採訪時也對這一結果給與了肯定，在他看來，羅切斯特大學此次研究是"能提供令人信服數據的成果"。

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應用廣泛，超導材料使用場景眾多

也許有人會問，不過是發現了一種新材料，真的需要這麼興奮嗎？想要回答這個問題，首先要從超導材料本身說起。

眾所周知，根據導電性能不同，物質大致可以分為導體、半導體和絕緣體。所謂導體，就是譬如鐵、鋁等金屬這種物質，它的電流電阻很小，其中存在著大量可自由移動的帶電粒子，這些電子能在外電場的作用下"自由行走"，形成明顯的電流——正也就是為什麼人們常說"導體易導電"；相反的，絕緣體電阻極大，帶電粒子因為被"困"在了原子周圍不能"自由移動"因而不易導電，常見的絕緣體譬如橡膠、塑料；至於半導體，則是性能介於前二者之間的物質，例如矽、鍺、砷化鎵等。

按照焦耳定律，就算一個導體的導電性能非常好，它都無法避免因為有電阻而產生焦耳熱，進而造成能量的額外消耗。那麼如果一種物質能電阻歸零，同時還能允許電子在其中無拘無束地自由移動，豈不是兩全其美？這時候就輪到超導體登場了——理論上，超導材料不僅能做到"0電阻導電"的理想導電性能，還會具備"完全抗磁性"等特點，並由此引發出諸如"磁通量量子化"等物理學機制假設。

（圖源：羅切斯特大學）

利用超導體的特性，人們可以用來"舉起"沉重巨大的車廂——諸如日本JR線的MLX系列低溫超導磁懸浮磁浮列車測試線，也可以用來長期監測重力變化，觀測潮汐、探測地震等——諸如天文地理研究中常用的磁懸浮重力儀；至於超導體的"約瑟夫森效應"則是說，如果在兩個超導體之間夾一個絕緣層，當這個絕緣層的厚度薄到逼近原子那麼薄時，電子就能直接穿過絕緣層，產生隧道電流現象。利用這一特性，人們不僅能做出速度更快、運行耗能更小的超導計算機，還能製作出靈敏度更高、噪聲更小的超導量子幹涉儀。

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室溫卻高壓，新發現逃不掉"舊尷尬"

"對於（羅切斯特大學的）發現，我們業界其實並沒有覺得太驚訝"，一位不願意透露姓名的超導材料業內人士在接受本報採訪時透露。作為專業從事超導材料研究超12年的內行，他指出："因為早在10多年前，咱們中國的物理學家就預言過，富含氫的材料理論上是可以做到室溫超導的，只是當時我們受到實驗設備等硬體所限，沒辦法親自驗證。"

▲科學家利用液氦降溫使金屬進入超導狀態。（圖源：Quanta）

對此，中國人民大學物理系教授李濤也表達了類似的觀點："根據以往既有的理論，近年來已經有實驗把超導臨界溫度做到非常逼近室溫，甚至比室溫高很多的也有，只是沒有被廣泛關注和正式發表而已"，他說："從這個意義上來說，這次的實驗報導確實不是很讓人意外，（羅切斯特大學團隊的結果）只是正好超過了室溫而已。"在李濤看來，雖然這些相關研究對於驗證既有理論機制、對於推動超導高壓研究有一定意義，但是對於新的超導機理研究和超導應用"基本沒有價值"。

與此同時，美國加利福尼亞大學物理學家Brian Maple也對"室溫超導"的實用性表達了質疑。"實驗條件實在是太特殊了"， 他說："顯然，（根據這一理論）根本不可能製造出能實際應用的設備"——室溫超導的前提是需要267GPa高壓，但這一壓力幾乎是地球地心處壓力的3/4，別說是難以普及，放之於全世界，也只有少數實驗室才能達到。

▲267Gpa的高壓相當於標準大氣壓的200多萬倍，在地球上4500公裡的深度才可能達到這樣的壓力環境，而地球的平均半徑僅6371公裡。（圖源：視覺中國）

那麼，室溫超導材料的發現又有什麼意義呢？有業內專家認為，相比於實用意義，此次成果再次成功印證了以往科學家對超導機理的推導，為人類摸索超導理論的漫漫長路，又鋪墊了一塊堅實的基石。

事實上，人類探索超導體的歷史本身就是摸著石頭過河，在黑暗中不斷摸索的過程：1911年，荷蘭物理學家H.K. Onnes發現，汞在-268.98°C時電阻會消失，進入超導狀態。隨後，他在許多其他金屬和合金上都發現了類似特性。儘管其條件極為苛刻——需要以接近常壓氦的液化溫度，但卻開啟了人類研究超導材料的歷史。

六十多年後，人們在1973年又發現了鈮鍺合金。這種材料進入超導狀態所需的溫度雖然比汞要高一點，但還遠談不上"平易近人"。在隨後的幾十年裡，鑭鋇銅氧化物、鉈鋇鈣銅氧化物等新型超導材料先後出現，經過數十年的不斷探索，2015年馬普發表研究報告稱，他們發現的氫硫化合物終於將傳統超導體的臨界溫度提高到了203K。然而不得不說的是，雖然每一次科學家的發現都讓超導臨界溫度有所升高，但人們始終無法讓超導材料的轉變溫度實現質的飛越，這也導致時至今日，"常溫常壓的超導材料"依然還是人們的一個美好夢想。

▲核磁共振譜儀生產線。（圖源：西門子）

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走進生活，常溫常壓的超導材料還有多遠？

事實上，儘管時不時有新的發現，但從總體上看，近十年來全球超導材料研究始終處於一個尷尬的瓶頸期，究其原因，"市場化"也許是最難跨越的一個阻礙——如何將實驗室中的新發現，實際應用到講求成本、看重效率、生產條件有限的商用市場？這個問題似乎很難回答

"雖然實驗室陸陸續續找到了一些臨界溫度更高的新材料，但是受限於價格和性能等因素，這些新材料始終打不開商業市場，沒辦法投入實際應用"，一位不願意透露姓名的業內知情人說。

現如今，超導技術對於多數普通人而言還是非常神秘，甚至常常引發人們的"誤解"：一提到超導技術，大家總會想到磁懸浮列車，但實際上，現實生活中多數磁懸浮列車使用的是常規導體，像德國的和國內上海的磁懸浮，這些列車跟超導技術並沒有太大關係。相比之下，反而是醫院裡使用的核磁共振成像（MRI），尤其是1.5T以上的核磁共振，才是跟普通人距離最近的超導技術。

相比於CT成像等技術，MRI不僅沒有輻射，而且能為醫生提供內容更加豐富、影響更加清晰的對比影像，尤其對於諸如腦補、脊髓等不同軟組織或是中樞神經系統等部位的對比成像也更加好。如今，9.4T超高場MRI不僅在理論上能幫助人類檢查糖尿病以及心臟病，甚至還有望能夠幫助早期檢測阿茲海默症，為人類解決"難以治療只能預防"的頑疾提供更好的技術支持。

探尋適用於民用市場的超導材料並不容易，儘管路漫漫其修遠兮，但人類尋找超導材料的腳步卻從未停下。從能承載大量電能卻幾乎不產生額外能耗的超導發電機、超導直流輸電線，再到信號覆蓋更廣、抗幹擾力更強的信號通訊基站……一步步的探索中，超導技術正在等待下一個春天。

出品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 科學加客戶端

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