韓國(guó)一研究團(tuán)隊(duì)7月26日宣稱發(fā)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”材料LK-99，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果甚至給予了理論支持，期間大量團(tuán)隊(duì)投入到試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)當(dāng)中，部分用戶甚至感慨“見證歷史”。

(相關(guān)資料圖)

然而，由于試驗(yàn)結(jié)果不一，再加上論文多處存疑，且論文未正式公開發(fā)表，都為L(zhǎng)K-99是室溫超導(dǎo)體的結(jié)論蒙上陰影。

爭(zhēng)議中的LK-99很快迎來反轉(zhuǎn)，8月2日，韓超導(dǎo)學(xué)會(huì)宣布成立“LK-99 驗(yàn)證委員會(huì)”，隨后8月3日，“驗(yàn)證委員會(huì)”LK-99未表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，無(wú)法證明是超導(dǎo)體，也因此，所謂的“第四次工業(yè)革命”在數(shù)日內(nèi)宣告結(jié)束。

拋開現(xiàn)象看本質(zhì)，什么是超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)、室溫超導(dǎo)，它們的特性和差別在哪里，為什么說室溫超導(dǎo)能引發(fā)如此的轟動(dòng)，目前科學(xué)界對(duì)室溫超導(dǎo)的研究都有哪些路徑，取得了什么樣的成果？

騰訊新聞特邀中科院物理所研究院、科普作家羅會(huì)仟，線上直播解讀室溫超導(dǎo)那點(diǎn)事兒。

以下為直播實(shí)錄脫水版：

超導(dǎo)那點(diǎn)事兒

Q：歷史上，是誰(shuí)率先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，它產(chǎn)生的必要條件是什么？

羅會(huì)仟：超導(dǎo)研究歷史挺長(zhǎng)，到今年應(yīng)該是有112年了。

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)卡莫林-昂尼斯的團(tuán)隊(duì)在研究低溫金屬導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)，選擇了水銀作為材料，意外發(fā)現(xiàn)其溫度降到4.2K（攝氏度-269℃）以下電阻消失，后來這個(gè)現(xiàn)象被稱之為超級(jí)導(dǎo)電，即進(jìn)入最完美的導(dǎo)電狀態(tài)。1933年，沃爾特?邁斯納發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)的另外一個(gè)現(xiàn)象——完全抗磁性，當(dāng)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之后，磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，形成一個(gè)抵御外磁場(chǎng)的能力，即磁化率等于-1。

總結(jié)下來，超導(dǎo)材料的的兩個(gè)關(guān)鍵特征，其一是電阻徹底消失，絕對(duì)零電阻；其二是進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后具備完全的抗磁性。

Q：很多科幻作品在探索超導(dǎo)應(yīng)用，現(xiàn)實(shí)情況如何，它們又帶來了哪些價(jià)值？

羅會(huì)仟：大家印象深刻科幻電影《阿凡達(dá)》，電影中的 一些星球上的山，好多是在天上，山體內(nèi)部有很多室溫超導(dǎo)體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了磁懸浮效應(yīng)，這是超導(dǎo)的一個(gè)典型的現(xiàn)象；類似的電影還有《太空旅客 》，其中提到的人工可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，也是超導(dǎo)的應(yīng)用場(chǎng)景。 、

超導(dǎo)應(yīng)用分為兩大塊：強(qiáng)電和弱電。

強(qiáng)電即在零電阻的狀態(tài)下，可以通過很強(qiáng)的電流，可以用于輸電，在很多地方已經(jīng)有應(yīng)用，而強(qiáng)電流可以帶來強(qiáng)磁場(chǎng)，它的應(yīng)用場(chǎng)景包括核磁共振成像、可控核聚變、高速磁懸浮列車等等。另外，物理研究中各種實(shí)驗(yàn)都可能涉及磁場(chǎng)，比如大型粒子加速器、極端條件測(cè)試平臺(tái)等，都有超導(dǎo)磁體的用武之地。

弱電指的是借助超導(dǎo)體本身的一些性質(zhì)，比如利用阻抗好的特點(diǎn)去做濾波器，最熱門的則是近年來比較火的量子計(jì)算，也就是在超導(dǎo)材料上刻蝕量子比特，構(gòu)造超導(dǎo)芯片。簡(jiǎn)單來說，弱電方面的應(yīng)用不需要太多的超導(dǎo)材料，其扮演關(guān)鍵作用即可，而且它還有個(gè)特點(diǎn)，并不因?yàn)槌瑢?dǎo)溫度低而受到極大限制。

Q：超導(dǎo)在材料學(xué)的探索當(dāng)中，屬于什么樣的地位？

羅會(huì)仟：超導(dǎo)研究在材料探索里面其實(shí)比較普通，沒有想象的占比那么大。我們凝聚態(tài)物理研究除了超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室之外，還有磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室，表面物理實(shí)驗(yàn)室，納米實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室都很大，研究方向甚至比超導(dǎo)大的多。

但反過來看，超導(dǎo)研究有一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，可以帶動(dòng)整個(gè)材料學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)其他有趣的物理現(xiàn)象，比如龐磁阻、量子磁體、拓?fù)潆娮討B(tài)等等。

舉個(gè)例子，有10位直接從事超導(dǎo)研究的科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而整個(gè)物理諾獎(jiǎng)得主也就200多人，凝聚態(tài)物理總共就60-70個(gè)人，這個(gè)比例是非常了不起的，這也可以解釋為什么大家對(duì)超導(dǎo)、室溫超導(dǎo)如此關(guān)注。

室溫超導(dǎo)簡(jiǎn)史

Q：超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)、非常規(guī)超導(dǎo)，室溫超導(dǎo)這這些名詞非常多，它們有什么關(guān)聯(lián)，差異點(diǎn)又是什么？

羅會(huì)仟: 大家可能聽說過高溫超導(dǎo)、室溫超導(dǎo)，高低在物理學(xué)中是相對(duì)的，前面提到的水銀，也就是金屬汞，4.2K（攝氏度-269℃）就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)效應(yīng)。

隨著BCS超導(dǎo)理論（該理論以其發(fā)明者約翰?巴丁、利昂?庫(kù)珀和約翰?施里弗的名字首字母命名，用于解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論）建立起來，科學(xué)家就可以預(yù)測(cè)材料的超導(dǎo)溫度，而40K就是其理論預(yù)言的上限。直到80年代，大量40K以上的銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，大家發(fā)現(xiàn)不能再用BCS超導(dǎo)理論解釋其高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。業(yè)界于是將40K作為低溫、高溫超導(dǎo)的分界線，不過這個(gè)分界線其實(shí)并不很明確。

按物理學(xué)來講，判斷一個(gè)材料是不是高溫超導(dǎo)不需要嚴(yán)格按照40K的標(biāo)準(zhǔn)。高溫超導(dǎo)材料目前只有兩種，一種是銅氧化物，一種是鐵基超導(dǎo)。對(duì)于銅氧化物來說，只要它們材料結(jié)構(gòu)接近，哪怕超導(dǎo)溫度只有10K、5K，業(yè)界依然將其稱之為高溫超導(dǎo)體。鐵基超導(dǎo)體里面超越40k的材料并不多，但它們也統(tǒng)稱為高溫超導(dǎo)體?？傊撤N材料本身或者它的“家族”的溫度可以達(dá)到40K，甚至可以超過液氮溫區(qū)，達(dá)到77K，即第二條分界線，都可以歸到高溫超導(dǎo)范疇，原因在于它們內(nèi)在的超導(dǎo)機(jī)制應(yīng)該是相同的。

所以，高溫、低溫只是一個(gè)相對(duì)概念，沒有絕對(duì)的界限。歷史上也曾把20 K或30 K作為低溫、高溫超導(dǎo)的分界線，只是后來大家傾向于用40K的“常規(guī)理論極限”而已。

至于室溫超導(dǎo)，其中的室溫在凝聚態(tài)物理學(xué)上有嚴(yán)格的定義，一般定義成300K，也就是27攝氏度，有可能超過300K的超導(dǎo)體才能被叫做室溫超導(dǎo)。

非常規(guī)超導(dǎo)和常規(guī)超導(dǎo)的區(qū)別在于能否用BCS理論描述，這個(gè)理論的核心是電子借助原子熱振動(dòng)的能量?jī)蓛膳鋵?duì)并相干凝聚形成了超導(dǎo)。而非常規(guī)超導(dǎo)，即不能用傳統(tǒng) BCS理論描述的超導(dǎo)體，它們的電子配對(duì)不僅僅與原子熱振動(dòng)有關(guān)，而可能與材料內(nèi)部的磁性相互作用有關(guān)，電子-電子之間也存在很強(qiáng)的相互作用。常壓下的高溫超導(dǎo)，如前面提到的銅氧化物和鐵基超導(dǎo)，都是非常規(guī)超導(dǎo)。目前在常壓下能突破液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體，僅有部分銅氧化物能做到。對(duì)應(yīng)的，常規(guī)超導(dǎo)即能用傳統(tǒng)BCS理論描述的超導(dǎo)體，主要包括單質(zhì)金屬與合金，目前發(fā)現(xiàn)的所有常規(guī)超導(dǎo)材料，常壓下其超導(dǎo)溫度均低于40K。但高壓可以進(jìn)一步穩(wěn)定原子晶格，即使是常規(guī)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)溫度也可以借助高壓提升到40K以上，甚至接近室溫。

Q：科學(xué)家們夢(mèng)想找到可實(shí)用化的室溫超導(dǎo)材料，是否意味著常規(guī)超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)的應(yīng)用存在短板，為什么非要追求室溫超導(dǎo)？

羅會(huì)仟：達(dá)到室溫有很多辦法，重要的是可實(shí)用化。為什么我們一定要去努力的去提高超導(dǎo)體的溫度，甚至追逐室溫超導(dǎo)？核心目的是降低成本。

所謂低溫超導(dǎo)材料，比如現(xiàn)在用的最多的鈦合金，它的超導(dǎo)溫度就只有9K左右，要使用它就得用液氦制冷，但氦是稀有氣體，液化比較困難，且成本非常貴，做研究可以，但大規(guī)模使用不大可能。

高溫超導(dǎo)方面，銅氧化物的超導(dǎo)溫度已經(jīng)很高了，常壓下134K，高壓下165K，除了溫度保持需要成本外，這種材質(zhì)本身并不好用，它很脆，可以說一掰就碎，沒法直接做電線，需要把它套在金屬管里拉拔成線材，或在金屬基片上鍍膜，用幾層膜把它保護(hù)住，形成有非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)帶材，在這個(gè)帶材中高溫超導(dǎo)材料的原材料成本幾乎可以忽略不計(jì)，更多成本來自于克服材料本身存在的問題，衍生出來的成本。

要搞定制冷成本，最好的辦法就是找到室溫超導(dǎo)體，其次是不需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直接作為電線的可實(shí)用化材料，這是為什么要追求室溫超導(dǎo)的原因。

Q：室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)路徑有什么，差異和特點(diǎn)是什么？

羅會(huì)仟：探索室溫超導(dǎo)確實(shí)有一些比較明確的路徑，不過能實(shí)用化室溫超導(dǎo)材料則沒有明確的理論指導(dǎo)。

如果忽略是否可以實(shí)用化，只朝著提高超導(dǎo)Tc（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，指超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度），有很多路徑，最常用的是借助高壓。

基于BCS理論可以算出，假如材料晶格穩(wěn)定性特別好，能夠提供的配對(duì)能量特別高，電聲子耦合能達(dá)到一定量級(jí)，就可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。但常壓下存在40K的上限，高壓則可以突破這個(gè)限制。目前，最有可能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料就是金屬氫，它是自然界最輕的元素，但是需要的壓力非常之高，大概需要500萬(wàn)個(gè)大氣壓，這需要昂貴的金剛石，且產(chǎn)出的材料最終只有微米或微克量級(jí)。

為什么如此極端條件下的超導(dǎo)，看似毫無(wú)用途，我們還要去探索呢？借助高壓超導(dǎo)的邏輯，假如我們找到了一個(gè)600K的超導(dǎo)體，但需要200萬(wàn)個(gè)大氣壓。當(dāng)壓力降到幾千或幾百個(gè)大氣壓的級(jí)別，材料的超導(dǎo)溫度也會(huì)下降，但仍然有可能還是高于300K，這樣距離應(yīng)用就會(huì)越來越近。當(dāng)然，最好是把壓力完全卸掉，仍然能保持完好的材料結(jié)構(gòu)，且具有室溫的超導(dǎo)電性。

高壓下探索室溫超導(dǎo)可以給我們帶來一些新的思路，比如發(fā)現(xiàn)一些過去“不存在”的材料結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦邏旱囊霑?huì)人為制備出許多新型的材料結(jié)構(gòu)。對(duì)照這些結(jié)構(gòu)我們可以在材料數(shù)據(jù)庫(kù)里面去檢索結(jié)構(gòu)相近的一系列材料，再去驗(yàn)證這些材料是否具備超導(dǎo)特性，哪怕不是室溫超導(dǎo)，也有重要意義。

另一個(gè)思路是近年來比較火的界面超導(dǎo)。比如清華大學(xué)薛其坤院士團(tuán)隊(duì)做的單層鐵硒薄膜。鐵硒是一種鐵基超導(dǎo)體，這種材料的塊體超導(dǎo)溫度只有9K，鍍成單層薄膜后的超導(dǎo)溫度可以達(dá)到65K以上。也有浙江大學(xué)的團(tuán)隊(duì)將鉭酸鉀構(gòu)成一個(gè)特殊取向的界面，也出現(xiàn)了超導(dǎo)，只是超導(dǎo)溫度并不高。類似的還有很多，甚至兩個(gè)不超導(dǎo)的材料拼在一起，其界面也可能出現(xiàn)超導(dǎo)。

盡管思路較多，但是上述材料要做到規(guī)?；瘡?qiáng)電應(yīng)用幾乎不可能，因?yàn)闊o(wú)法直接做成電線。但還是可以做弱電應(yīng)用，比如一些特殊情況下的電子開關(guān)、精密的探測(cè)器等。所以，最好的是，能找到不需要高壓，也不需要特殊維度，就能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料。

從操作方法上看，我們今天找超導(dǎo)材料的方法和效率跟之前相比是完全不一樣的。之前，有人說做超導(dǎo)的像“炒菜”，把元素周期表拿過來，幾個(gè)元素“一湊”，先“炒炒”，“炒”完了看看超導(dǎo)不超導(dǎo)，這個(gè)過程是非常漫長(zhǎng)的，而且要“一鍋一鍋的炒”，“炒不好”就要廢掉重新來，效率非常低。但現(xiàn)在可以“1000口鍋、10000口鍋，同時(shí)炒”，這種技術(shù)就叫做材料基因組技術(shù)，可以批量化制備樣品，一下子將所有可能的元素組合全部搞定，效率大大提高。

除了以上說的實(shí)驗(yàn)部分的效率提升外，基于計(jì)算能力的提升，使得理論方面也有很大的提升?，F(xiàn)在基于理論和實(shí)驗(yàn)，建立一個(gè)海量的真實(shí)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至利用AI技術(shù)訓(xùn)練它輔助尋找室溫超導(dǎo)材料，也讓我們更加有針對(duì)性去探索。

Q：尋找室溫超導(dǎo)的過程中，有哪些實(shí)質(zhì)性和階段性的突破，目前最接近室溫超導(dǎo)的材料是什么？

羅會(huì)仟：這些年實(shí)質(zhì)性的突破并不太多，最大的突破就是前面說到的高壓氫化物超導(dǎo)。

剛剛也提到過，最早2015年做硫化氫，發(fā)現(xiàn)做氫的化合物壓力不需要那么高，只需要一兩百萬(wàn)大氣壓就可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，順著這個(gè)思路可以尋找含氫多的材料，其中一類就是稀土+氫，比如2019年發(fā)現(xiàn)的鑭氫十，就是鑭加十個(gè)氫，十個(gè)氫構(gòu)成一個(gè)籠子，鑭原子在中間，就相當(dāng)于一拖十，它帶的“氫”多，能達(dá)到的超導(dǎo)的溫度也高，可以達(dá)到260 K左右。

我們的終極目標(biāo)是室溫，但也未必非要瞄準(zhǔn)室溫這么死磕。我們可以瞄準(zhǔn)這個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo)，也有希望找到其它一些超導(dǎo)材料，溫度未必很高，關(guān)鍵在于用途，不一定非要強(qiáng)電，弱電其實(shí)也可以。

這些年領(lǐng)域內(nèi)也實(shí)實(shí)在在做到一些，比如鐵基超導(dǎo)、銅基超導(dǎo)，尤其是鐵基超導(dǎo)，中國(guó)人做了很大的貢獻(xiàn)。大家去翻翻研究資料會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了銅基和鐵基之外，第一個(gè)鉻基超導(dǎo)、錳基超導(dǎo)都是由中國(guó)人發(fā)現(xiàn)的，最近在鎳基超導(dǎo)體中，也實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)的突破，而且它們都是非常規(guī)超導(dǎo)體。還有一些其他過渡金屬化合物也都是超導(dǎo)體，只是大部分超導(dǎo)溫度偏低。但即便是溫度低，只要有應(yīng)用價(jià)值就可以，而即便沒有應(yīng)用價(jià)值，有理論價(jià)值也是好的，可以啟示我們?nèi)绾螌ふ腋喔糜玫某瑢?dǎo)體。

引發(fā)轟動(dòng)的LK-99

Q：韓國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的LK-99，缺陷是什么？

羅會(huì)仟：韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的這篇論文，數(shù)據(jù)比較糟糕，看起來幾乎沒有一條可以直接支持超導(dǎo)的結(jié)論。

前面提到過，通常測(cè)超導(dǎo)要求材料絕對(duì)零電阻，完全抗磁性，這兩條是最基本的原則，最好還要測(cè)到比熱的跳變，也就是熱學(xué)特征，證明其是一個(gè)相變，這些條件都符合了才能說它是一個(gè)超導(dǎo)現(xiàn)象，很遺憾這篇論文這三點(diǎn)都無(wú)法支持，數(shù)據(jù)質(zhì)量不夠有說服力，所謂缺陷也就是這些方面。

此外，大家不要將預(yù)印本的論文和正式論文等同，這一點(diǎn)非常重要。

學(xué)術(shù)圈有一條，叫做同行評(píng)議，這非常重要，你的論文必須通過同行的質(zhì)疑、拷問，確認(rèn)所有證據(jù)都成立才有可能去發(fā)表，也只有這樣論文在領(lǐng)域內(nèi)才具備研究?jī)r(jià)值，所以這也是為什么今年3月份迪亞斯在《自然》上發(fā)布的室溫超導(dǎo)研究論文，在超導(dǎo)領(lǐng)域獲得了更多關(guān)注的原因，即便后來證明他這個(gè)結(jié)果依舊有很大問題。

Q：您的文章中也提到過不明超導(dǎo)體，這類不明超導(dǎo)體有哪些，特點(diǎn)是什么？

羅會(huì)仟：不明超導(dǎo)體即Unidentified Superconducting Object。

超導(dǎo)的探索上，時(shí)不時(shí)就冒出一個(gè)新材料，讓人“驚喜”，這種“驚喜”總在無(wú)意之間且很難預(yù)料，這也是為什么這個(gè)領(lǐng)域保持活躍，科研人員愿意去從事這方面探索的原因。但要注意，有相當(dāng)多的超導(dǎo)體，都是“不明超導(dǎo)體”，也就是有研究團(tuán)隊(duì)聲稱發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超導(dǎo)材料，它既滿足零電阻，也具備抗磁性，但是其他團(tuán)隊(duì)無(wú)法復(fù)現(xiàn)；另外還有一種是沒有正式發(fā)布論文，或者干脆就在自己的官網(wǎng)發(fā)布。

實(shí)際上，不明超導(dǎo)體并不是一件壞事情，舉個(gè)例子，銅氧化物高溫超導(dǎo)體最早被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它的超導(dǎo)溫度是35K，零電阻大概30K，盡管不高，但卻破了鈮三鍺零電阻23K的紀(jì)錄，當(dāng)時(shí)的論文就是發(fā)在一個(gè)非常普通的期刊上，且題目用的是非常泛的字眼“大概”、“可能”，非常謹(jǐn)慎，當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)還沒有抗磁性，并且是3個(gè)樣本中，只有一個(gè)有零電阻。要知道，這可是獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究，甚至后來發(fā)現(xiàn)分子式也錯(cuò)了，因?yàn)檎嬲瑢?dǎo)的元素配比并不是設(shè)想的那樣。

在銅氧化物研究的早期，出現(xiàn)了一大批銅氧化物超導(dǎo)體，結(jié)構(gòu)和元素配比千奇百怪，超導(dǎo)溫度各式各樣，甚至有不少聲稱是200K以上的超導(dǎo)體。隨著研究不斷深入，把材料做純后發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象都不存在，或者是測(cè)量出了差錯(cuò)。不過這些錯(cuò)誤，并沒有影響超導(dǎo)材料的探索，相反，給了大家很多啟示。如今銅氧化物超導(dǎo)家族，已經(jīng)非常豐富了。

不明超導(dǎo)體的重災(zāi)區(qū)則是含碳材料，比如說石墨，本身就具備抗磁性，石墨摻雜一些堿金屬也是超導(dǎo)體。但如果其他材料純度不高，摻了一點(diǎn)石墨進(jìn)去的材料，測(cè)量方式不對(duì)的話，也可能會(huì)測(cè)到石墨本身的抗磁性，進(jìn)而引發(fā)錯(cuò)誤結(jié)論。生活里有不少化學(xué)物質(zhì)，含有苯環(huán)化合物，也具備抗磁性，如果拿去測(cè)試也會(huì)有很弱的抗磁性，但要測(cè)到零電阻可能性不大。

我們會(huì)見證歷史嗎？

Q：有很多人說如果室溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)，也是我們見證歷史的時(shí)刻，那么它將會(huì)給我們的生活帶來哪些改變呢？

羅會(huì)仟:如果未來能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，它將會(huì)給我們的生活帶來革命性的改變，我們家里的家具可以沒有腿，出門可以大大提高交通運(yùn)輸效率，縮短旅行時(shí)間，因?yàn)槠嚳梢詻]有輪子，火車可以飛行，甚至還有續(xù)航優(yōu)越的超導(dǎo)太空飛船，這些想法在超導(dǎo)技術(shù)的推動(dòng)下可能會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

大家可以想象一下，我們生活里面能用到電和磁的地方，我們統(tǒng)統(tǒng)都可以替換成超導(dǎo)體。不過，這需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

到今天為止，其實(shí)超導(dǎo)在大規(guī)模的應(yīng)用也還沒有真正的實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)榻^大部分超導(dǎo)材料都不太好用，溫度只是限制條件之一。

實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的前提必須是實(shí)用可靠。除了高臨界溫度、高臨界磁場(chǎng)和高載流能力等指標(biāo)外，超導(dǎo)材料還需要具備出色的柔韌性和耐久性，超導(dǎo)材料需要承受多次極端環(huán)境考驗(yàn)，如升降溫、強(qiáng)磁場(chǎng)和大電流。如果一個(gè)超導(dǎo)體在正常使用時(shí)通電的電流是穩(wěn)定的，但突然間無(wú)法繼續(xù)工作，那這意味著什么？答案是它已經(jīng)出現(xiàn)了電阻，失去了超導(dǎo)的特性。

即便存在微小的電阻，當(dāng)如此大的電流通過時(shí)也會(huì)瞬間產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)。特別是對(duì)于低溫超導(dǎo)體來說，由于其處于液氦環(huán)境中，一旦發(fā)生發(fā)熱，液氦就會(huì)迅速沸騰，引發(fā)所謂的“Quench（崩潰）”現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)失效，無(wú)法繼續(xù)工作。這種情況非常危險(xiǎn)，設(shè)備可能在瞬間無(wú)法使用。因此，超導(dǎo)材料需要具備出色的穩(wěn)定性和耐久性，以確保在多次升降溫、強(qiáng)磁場(chǎng)和大電流等條件下依然保持超導(dǎo)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的應(yīng)用。

雖然大規(guī)模應(yīng)用可能需要室溫超導(dǎo)等更高的性能，但在某些特定的領(lǐng)域，即使在相對(duì)較低的溫度下使用超導(dǎo)材料，仍然可以帶來重要的價(jià)值和應(yīng)用前景。比如深圳的平安大廈，就使用了高溫超導(dǎo)電纜，這些電纜在較高的溫度下（相對(duì)于常規(guī)低溫超導(dǎo)材料）仍然能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，從而實(shí)現(xiàn)零電阻的電流傳輸。需要提一句的是，對(duì)超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用來說，溫度越低的超導(dǎo)材料性能可以成倍甚至數(shù)量級(jí)地提升，所以如果需要更強(qiáng)的電流或更強(qiáng)的磁場(chǎng)，即便是室溫超導(dǎo)體的應(yīng)用，我們依舊需要很低的溫度環(huán)境。

在某些弱電應(yīng)用中，只要材料具備超導(dǎo)特性，但可能并不需要追求室溫超導(dǎo)，而是在更低溫下使用。這種情況下，即使溫度很低，將超導(dǎo)材料泡在液氮或固氮中也是可行的，哪怕是需要價(jià)格昂貴的更低溫度的稀釋制冷機(jī)，也是為了滿足特定應(yīng)用的需求。

Q：室溫超導(dǎo)材料如果實(shí)現(xiàn)的話，離這種規(guī)?；卸噙h(yuǎn)？

羅會(huì)仟：超導(dǎo)已經(jīng)100多年了，現(xiàn)在應(yīng)用范圍最廣的還是100多年前發(fā)現(xiàn)的鈮鈦合金和鈮三錫等，即使高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)也已經(jīng)有30多年，目前僅僅做到規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，可以說應(yīng)用剛剛起步，所以具體的時(shí)間其實(shí)是沒法估計(jì)，不能說今天發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)材料，明天就能應(yīng)用。

回到探索上來，探索室溫超導(dǎo)，還是高溫超導(dǎo)，抑或是非常規(guī)超導(dǎo)，這個(gè)過程也會(huì)帶來很多意想不到的價(jià)值。

從理論上來講，哪怕是50年代的BCS這么老的理論，它的出現(xiàn)仍然推動(dòng)的粒子物理的發(fā)展，我們非常熟悉的希格斯粒子的理論模型實(shí)際上就是借鑒了BCS理論中對(duì)稱破缺的學(xué)術(shù)思想。

現(xiàn)在研究高溫超導(dǎo)一系列的問題里面，有很多的學(xué)術(shù)思想是非常重要的。這是因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)面臨的是一個(gè)多體物理問題——它的電子和電子之間相互作用很強(qiáng)，必須同時(shí)考慮一大群電子怎么運(yùn)動(dòng)。

這種物理模型目前是沒有的，所以研究人員在努力嘗試著去建立這種所謂的量子多體理論，這個(gè)過程中提出了一些新的概念，比如“量子自旋液體”、“拓?fù)湫颉?、“拓?fù)湮飸B(tài)”，這些新的概念又促使著我們回頭去將現(xiàn)有的材料重新分類，進(jìn)而重新認(rèn)識(shí)這種現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)一些新的應(yīng)用、理論價(jià)值，我們知道2016年的物理諾貝爾獎(jiǎng)就是這個(gè)方向。

此外，在尋找超導(dǎo)材料的過程中，超導(dǎo)體可能沒有找到，但是卻能意外發(fā)現(xiàn)這些材料的其它特性，比如鐵基超導(dǎo)，目前已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在鐵基超導(dǎo)的基礎(chǔ)上，植入少量磁性原子，進(jìn)而制備出溫度很高的稀磁半導(dǎo)體。

我經(jīng)常比喻，探索室溫超導(dǎo)的過程就像在電子的海洋里面釣魚，你不知道釣上來是什么魚，可能想釣上來超導(dǎo)體，結(jié)果上來的可能不是，但不管是什么魚，也會(huì)有意外的價(jià)值。

本文來源：騰訊科技，原文標(biāo)題：《人類需要什么樣的室溫超導(dǎo)？》

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