室溫超導(dǎo)體，科幻還是現(xiàn)實(shí)？

科幻電影《阿凡達(dá)》里的室溫超導(dǎo)體“Unobtanium”

今年3月和6月，著名的科研論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org先后貼出了兩篇論文，號(hào)稱發(fā)現(xiàn)了373K的超導(dǎo)體和350K的超導(dǎo)跡象。有人對(duì)室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歡呼雀躍，然而科學(xué)家們反映卻異常冷淡。

在科幻電影《阿凡達(dá)》里，人們?yōu)榱碎_發(fā)潘多拉星球上的寶貴資源不惜一切代價(jià)大老遠(yuǎn)跑到外星球去，究竟挖什么寶貝呢？電影里揭秘道，它是一種地球上沒(méi)有的神奇室溫超導(dǎo)礦石。這室溫超導(dǎo)體具有異常強(qiáng)大的力量，以至于依賴潘多拉星磁場(chǎng)就足以懸浮起含有這類礦石的一座座“哈利路亞”大山，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值無(wú)可估量。

今年三月和六月，著名的科研論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org先后貼出了兩篇論文，號(hào)稱發(fā)現(xiàn)了373K的超導(dǎo)體和350K的超導(dǎo)跡象。從科學(xué)定義上，一般認(rèn)為300K就是室溫（0℃相當(dāng)于273K，300K則相當(dāng)于27℃）。因此，373K和350K都高于室溫，這是否意味著室溫超導(dǎo)體就此被發(fā)現(xiàn)了呢？對(duì)于不做超導(dǎo)研究的公眾來(lái)說(shuō)，部分是將信將疑，部分是歡呼雀躍。

然而，在國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)超導(dǎo)科研者眼中，這兩篇論文根本不值得一看，且不論其真假與否。換句話說(shuō)，在任何超導(dǎo)國(guó)際會(huì)議中，沒(méi)有一個(gè)人會(huì)提這茬。

為什么科學(xué)家對(duì)室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，會(huì)反映如此冷淡呢？

超導(dǎo)到底是個(gè)啥

要說(shuō)室溫超導(dǎo)是啥，先得回答什么是超導(dǎo)。從字面意思上，超導(dǎo)就是超級(jí)導(dǎo)電之意。

超導(dǎo)體導(dǎo)電能力有多強(qiáng)？在一定溫度（定義為超導(dǎo)臨界溫度）之下，超導(dǎo)體電阻為零。盡管嚴(yán)格意義上的零電阻無(wú)法測(cè)量出來(lái)，但是精確實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)材料的電阻率要比導(dǎo)電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等要整整低了10個(gè)數(shù)量級(jí)。

這意味著，在閉合超導(dǎo)線圈中感應(yīng)出1A的電流，需要近一千億年才能衰減掉，比我們宇宙的年齡138億年還要長(zhǎng)。因此，我們有充分的理由認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)下電阻為零。

形成神奇的零電阻態(tài)同時(shí)，超導(dǎo)體還“修煉”成了另一種神奇的“金鐘罩鐵布衫之功”——可以把體內(nèi)的所有磁力線排出外面，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。超導(dǎo)體具有“完全抗磁性”，該效應(yīng)于1933年被德國(guó)科學(xué)家沃爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)，又被稱為“邁斯納效應(yīng)”。

只有同時(shí)具有零電阻效應(yīng)和完全抗磁性這兩大神奇物性的材料，才能從科學(xué)意義上稱之為超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)有何用

凡是用得上電的地方，都有超導(dǎo)的用武之地。

超導(dǎo)輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術(shù)中15%左右的損耗，超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、限流器以及儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的電網(wǎng)和電機(jī)。利用超導(dǎo)線圈制作的超導(dǎo)磁體具有體積輕小、磁場(chǎng)高、均勻性好、耗能低等優(yōu)勢(shì)，是高分辨核磁共振成像、基礎(chǔ)科學(xué)研究、人工可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)的核心。

歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的9300多個(gè)超導(dǎo)磁體，就是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常規(guī)磁懸浮技術(shù)相比，超導(dǎo)磁懸浮列車更為高速、穩(wěn)定和安全，是未來(lái)交通工具的重要明星之一。

超導(dǎo)還具有許多復(fù)雜有趣的微觀量子效應(yīng)，利用超導(dǎo)電流的量子干涉效應(yīng)制備的超導(dǎo)量子干涉儀，對(duì)外磁場(chǎng)感應(yīng)極其敏感，是目前世界上最靈敏的磁測(cè)量?jī)x器。基于超導(dǎo)量子干涉儀制備超導(dǎo)量子比特，是未來(lái)量子計(jì)算中最重要的量子單元，基于量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的高性能計(jì)算，將掀起一場(chǎng)新的信息革命。

超導(dǎo)材料阻抗性能好，利用超導(dǎo)體替換常規(guī)金屬做微波器件，具有信噪比高、帶邊抑制明顯、帶寬控制靈活等多個(gè)優(yōu)勢(shì)。也許您使用的智能手機(jī)，其通訊基站就用到了超導(dǎo)濾波器，這些高性能微波器件同樣在軍事設(shè)備、衛(wèi)星通訊、航空航天等領(lǐng)域大有所用。

為何要尋找室溫超導(dǎo)材料

超導(dǎo)長(zhǎng)期以來(lái)都是基礎(chǔ)物理研究中的一個(gè)重要前沿領(lǐng)域。自1911年4月8日，第一個(gè)超導(dǎo)體——金屬汞被發(fā)現(xiàn)存在4.2K的超導(dǎo)電性以來(lái)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量單質(zhì)和合金超導(dǎo)體，但是它們的超導(dǎo)臨界溫度都很低，此后的75年間探索到的最高臨界超導(dǎo)溫度為23.2K。

如此低的超導(dǎo)溫度意味著，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)應(yīng)用必須依賴于昂貴的低溫液體——如液氦等來(lái)維持低溫環(huán)境。這導(dǎo)致超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，維持低溫的成本甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料本身的價(jià)值。尋找更高臨界溫度，特別是液氮溫區(qū)(77K)以上的可實(shí)用化超導(dǎo)材料，成為材料探索的重要目標(biāo)。

1986年瑞士蘇黎世IBM公司的柏諾茲和繆勒在銅氧化物體系發(fā)現(xiàn)了35K的超導(dǎo)。在中美等國(guó)科學(xué)家的推動(dòng)下，該記錄在五年內(nèi)不斷刷新，于1994年左右創(chuàng)造了常壓下135K、高壓下164K的臨界溫度新記錄。然而，銅氧化物高溫超導(dǎo)材料屬于氧化物陶瓷，缺乏柔韌性和延展性，容易在承載大電流時(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱，應(yīng)用起來(lái)存在許多技術(shù)難度。而且，其物理性質(zhì)極其復(fù)雜，難以被現(xiàn)有理論框架解釋。尋找新型的高溫超導(dǎo)體，勢(shì)在必行。

2008年2月23日日本科學(xué)家報(bào)道了鐵砷化物體系中存在26K的超導(dǎo)電性。在中國(guó)科學(xué)家的努力下，這類材料的超導(dǎo)臨界溫度很快就突破了40K，在塊體材料中實(shí)現(xiàn)了55K的高溫超導(dǎo)電性。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基超導(dǎo)就此宣告發(fā)現(xiàn)。只是這類超導(dǎo)體大都含砷或堿金屬，不僅有毒而且對(duì)空氣敏感，應(yīng)用方面同樣存在不少局限性。

高于40K以上的超導(dǎo)體又被稱之為高溫超導(dǎo)體，銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體，是目前發(fā)現(xiàn)了僅有的兩大高溫超導(dǎo)家族。

盡管人們?cè)趩钨|(zhì)金屬、合金、氧化物、甚至有機(jī)物中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，人們一直渴望尋找到室溫下的實(shí)用超導(dǎo)體。關(guān)于室溫超導(dǎo)的夢(mèng)想，一直沒(méi)有間斷過(guò)。美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家都曾先后立項(xiàng)探索室溫超導(dǎo)體，日本更是提出了尋找400K以上超導(dǎo)體的遠(yuǎn)景目標(biāo)。

室溫超導(dǎo)有可能實(shí)現(xiàn)嗎

2016年是高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)30周年，隨著鐵基超導(dǎo)、硫化氫超導(dǎo)等的被發(fā)現(xiàn)，尋找室溫超導(dǎo)似乎已經(jīng)水到渠成。新的室溫超導(dǎo)體仿佛已經(jīng)向人類發(fā)出了召喚，同時(shí)又“猶抱琵琶半遮面”。

今年3月4日，有一作者在arXiv貼出了一篇題為“373K超導(dǎo)體”的論文。令人奇怪的是，作者的單位就叫做“私密研究所-373K超導(dǎo)體”，一查才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是他注冊(cè)了一個(gè)公司就叫做“373K超導(dǎo)體”！更令人狐疑的是，通篇論文未提該“超導(dǎo)材料”的化學(xué)式或者合成方式；盡管都有零電阻和抗磁性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)“看起來(lái)特別真實(shí)”，數(shù)據(jù)質(zhì)量卻非常糟糕，不少所謂“磁懸浮”的圖片都用來(lái)當(dāng)做證據(jù)之一。在絕大多數(shù)專業(yè)從事超導(dǎo)研究人員看來(lái)，這不是一篇合格的學(xué)術(shù)論文。

無(wú)獨(dú)有偶，6月30日，又有德國(guó)人在arXiv貼出了關(guān)于石墨晶體中存在350K超導(dǎo)跡象的論文。相比3月份的論文，這篇論文數(shù)據(jù)顯得更為詳實(shí)系統(tǒng)，似乎預(yù)示著室溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)了。這次不同是，他們?cè)敿?xì)指出樣品來(lái)自巴西某礦產(chǎn)的石墨晶體。理論上，石墨烯中是否存在室溫超導(dǎo)電性，一直以來(lái)是爭(zhēng)議的一個(gè)焦點(diǎn)之一。因?yàn)槭┲须娮舆\(yùn)動(dòng)速度極快，甚至需要用相對(duì)論化的狄拉克方程來(lái)描述，而不是簡(jiǎn)單的薛定諤方程，那么一旦實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，就可能意味著很高的臨界溫度。細(xì)讀這篇論文，就會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)論并非那么可靠，因?yàn)樗械膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就沒(méi)有出現(xiàn)真正意義上的零電阻態(tài)，完全抗磁性也沒(méi)有。作者所謂的“超導(dǎo)證據(jù)”，只是電阻在350K存在一個(gè)輕微的下降，并會(huì)響應(yīng)磁場(chǎng)的變化，這種可能性其實(shí)有很多，完全可以和超導(dǎo)沒(méi)有關(guān)系。

室溫超導(dǎo)之路，漫漫其修遠(yuǎn)兮。

期待真的有室溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)的那一天。或許那時(shí)，我們可以在家里舒舒服服地躺在室溫超導(dǎo)磁懸浮沙發(fā)上休息，也可以午飯后坐上時(shí)速3000 公里以上的真空管道超導(dǎo)磁懸浮列車去巴黎喂個(gè)鴿子，還可以在辦公室隨時(shí)弄個(gè)核磁共振成像監(jiān)測(cè)身體內(nèi)部的變化。

畢竟，夢(mèng)想還是要有的，萬(wàn)一哪天被實(shí)現(xiàn)了呢？

稿件來(lái)源：科學(xué)大院（中科院官方科普微信號(hào)）

作者：羅會(huì)仟（中科院物理研究所）

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證實(shí)室溫超導(dǎo)體是個(gè)難事

盡管大部分科學(xué)家都堅(jiān)信室溫超導(dǎo)體的存在，但真正要100%確認(rèn)一個(gè)室溫超導(dǎo)體，卻從來(lái)不是件容易的事兒。

      和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的小心謹(jǐn)慎不同，理論物理學(xué)家的預(yù)言往往比較大膽。在不違反已知物理原理基礎(chǔ)上，理論預(yù)言可能的室溫超導(dǎo)體還是不少的，其中典型代表之一是金屬氫。

令實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家郁悶的是，他們不斷努力改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)金剛石對(duì)頂壓砧把壓力提高到了325萬(wàn)個(gè)大氣壓，固態(tài)金屬氫終于在2015年被成功實(shí)現(xiàn)。如此高的壓力，已經(jīng)接近地心內(nèi)部壓力(360GPa)了，這時(shí)氫分子早已被打斷成了單個(gè)氫原子，但卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性。

十分有趣的是，包括中國(guó)的研究人員在內(nèi)的科學(xué)家還從理論上預(yù)言氫的化合物H2S-H2體系在高壓下可能實(shí)現(xiàn)191K的高溫超導(dǎo)，將突破銅氧化物中164K的臨界溫度記錄。同在2015年，德國(guó)科學(xué)家A.P.Drozdov等人宣稱在硫化氫中發(fā)現(xiàn)了203K的超導(dǎo)電性，距離300K的室溫，幾乎一步之遙。只是，條件同樣非常苛刻——要在200萬(wàn)個(gè)大氣壓下(200GPa)才可以。實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度非常之大，要在低溫狀態(tài)下把極其容易爆炸的硫化氫通入金剛石壓砧裝置，還要能夠在超高壓下測(cè)量其電阻和磁化率。

       論文于2014年12月1日貼到預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，歷經(jīng)半年多后才投稿到了Nature雜志上。據(jù)說(shuō)，為了避免前車之鑒，這半年時(shí)間內(nèi)，Nature雜志預(yù)先請(qǐng)了一個(gè)專家團(tuán)到德國(guó)的實(shí)驗(yàn)室去，要求查看所有的原始實(shí)驗(yàn)記錄，并實(shí)地重復(fù)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在保證零電阻結(jié)果可靠性之后，專家團(tuán)還要求他們進(jìn)行了完全抗磁性的測(cè)量，最終確立了200K以上超導(dǎo)的準(zhǔn)確性，才允許投稿，并且花了近一個(gè)月時(shí)間審稿才被接收。后來(lái)，論文中的若干現(xiàn)象被日本和中國(guó)科學(xué)家重復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，科學(xué)界才慢慢接受這個(gè)結(jié)果，在此之前，幾乎所有人對(duì)Drozdov的學(xué)術(shù)報(bào)告反應(yīng)都顯得冷淡。200K超導(dǎo)，看上去很美，但在如此高壓下卻難以實(shí)用。