超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì),，還有相位相干性質(zhì),。這三個(gè)主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用,。目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源,、交通等多個(gè)領(lǐng)域,，發(fā)揮了不可替代的作用。

“這個(gè)結(jié)論應(yīng)該是被證偽了,?！蹦暇┐髮W(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞海虎團(tuán)隊(duì)在幾乎復(fù)刻了美國羅切斯特大學(xué)教授迪亞斯研究的室溫超導(dǎo)材料并完成測(cè)量以后,，得出了與之完全不同的結(jié)論,。除此之外，我國多個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都給出了否定的結(jié)論,。

3月初,，迪亞斯在美國物理年會(huì)的一場(chǎng)報(bào)告中宣布，在1GPa（約1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下,，實(shí)現(xiàn)了294K（21℃）的室溫超導(dǎo),。

是烏龍事件，還是迪亞斯團(tuán)隊(duì)確實(shí)摘下了“凝聚態(tài)物理學(xué)圣杯”,？一切有待驗(yàn)證,。但無論結(jié)果如何，都說明“室溫超導(dǎo)”自帶龐大“流量”,，多年來,，吸引著無數(shù)科學(xué)家在這一領(lǐng)域孜孜以求，躬耕不輟,。

那么,，“室溫超導(dǎo)”究竟是什么？人類距離這個(gè)目標(biāo)還有多遠(yuǎn),？

超導(dǎo)特性催生顛覆性應(yīng)用

“眾所周知,，金、銀,、銅是非常好的導(dǎo)體材料,，電阻都比較小，但是仍然存在電阻,。”上海大學(xué)材料基因組工程研究院教授葛軍飴介紹,，超導(dǎo)材料是一類具有特殊電,、磁特性的材料，它具有在某一臨界溫度下,，表現(xiàn)出電阻突然消失且完全抗磁的特性,。在理論上,，超導(dǎo)材料導(dǎo)電時(shí)可以沒有阻力、熱損耗和衰減,。

“超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì),、磁通釘扎性質(zhì)，還有相位相干性質(zhì),。這三個(gè)主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用,。”聞?；⒔榻B,。

目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源,、交通等多個(gè)領(lǐng)域,，發(fā)揮了不可替代的作用。

葛軍飴舉例說,，醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產(chǎn)生特斯拉級(jí)別強(qiáng)磁場(chǎng),，該設(shè)備的分辨率與磁場(chǎng)的大小成正比，磁場(chǎng)越大越容易發(fā)現(xiàn)一些早期病變,。而超導(dǎo)材料的磁通釘扎性質(zhì)可以使其在強(qiáng)磁場(chǎng)下仍然保持零電阻特性,，因此可以制備出非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

在電網(wǎng)的運(yùn)行中,，為了降低傳輸中的損耗,，往往需要用到超高壓的輸電方案。但建設(shè)超高壓電網(wǎng)不僅需要較高的成本,，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞,。而采用超導(dǎo)電纜輸電，可以在幾十千伏的電壓下傳輸相同級(jí)別的電力,。2021年12月,，我國自主建設(shè)的首條公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)行，在超導(dǎo)電纜大規(guī)模應(yīng)用的征途中邁出了重要的一步,。

此外,，超導(dǎo)在儲(chǔ)能、磁懸浮等領(lǐng)域的應(yīng)用也在快速發(fā)展中,。全球最大的國際科研合作項(xiàng)目“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”,，有望解決人類對(duì)清潔能源的終極需求。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置,，俗稱“人造太陽”,。近幾年快速發(fā)展的量子計(jì)算的多條路徑中，基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)是目前公認(rèn)最可能實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的方案。

室溫超導(dǎo)“圣杯”為何難摘

“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性,，這意味著實(shí)驗(yàn)中使用的超導(dǎo)材料無法投入到長期,、常規(guī)的應(yīng)用中，比如無損電力傳輸,、超導(dǎo)磁懸浮高速列車和平價(jià)醫(yī)療影像設(shè)備,。”南開大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說,。

從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來,，人類在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒有停下腳步。100多年來,，在試圖解釋超導(dǎo)機(jī)理的同時(shí),，科學(xué)家一直在想辦法提升超導(dǎo)材料的臨界溫度。

最先出現(xiàn)的是低溫超導(dǎo)材料,。聞?；⒔榻B，1986年之前,，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)材料的最高臨界溫度是23.2K（-249.95℃）,。低溫超導(dǎo)材料以鈮鈦超導(dǎo)體、鈮三錫化合物超導(dǎo)體這兩類材料為代表,，目前在工業(yè)界,、醫(yī)療界、大科學(xué)裝置等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛,。

就在人們對(duì)高溫超導(dǎo)不抱太大希望的時(shí)候,，1986年，瑞士的兩位科學(xué)家在銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象,，并且很快合成了臨界溫度大于77K（-196℃）的超導(dǎo)材料釔鋇銅氧,。這類臨界溫度突破傳統(tǒng)理論預(yù)言的麥克米蘭極限40K（-233℃）的材料被稱為高溫超導(dǎo)體。

“需要說明的是,，這里的‘高溫’也只是一個(gè)相對(duì)的概念,。實(shí)際上，目前已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段的高溫超導(dǎo)體的臨界溫度仍然在零下100多攝氏度,，遠(yuǎn)低于室溫,，需要液氮作為制冷劑運(yùn)行?！备疖婏崗?qiáng)調(diào),。

隨后，人們相繼發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂,、鐵基超導(dǎo)在內(nèi)的多個(gè)新的超導(dǎo)體系,，并嘗試通過化學(xué)元素?fù)诫s、離子液體調(diào)控、電荷轉(zhuǎn)移等方法提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,。但迄今為止，常壓下的超導(dǎo)臨界溫度的紀(jì)錄仍然由銅氧化物超導(dǎo)體保持,。

“盡管高溫超導(dǎo)體突破了液氮溫度,，可以在液氮下使用，且成本很低,。但其使用依舊受限,。”季魯補(bǔ)充說,，制冷成本和高溫超導(dǎo)材料的一些臨界參數(shù)限制了高溫超導(dǎo)的發(fā)展,。

“發(fā)現(xiàn)真正的室溫超導(dǎo)體是人們的終極目標(biāo)。如果室溫超導(dǎo)材料出現(xiàn),，那么制冷成本會(huì)更低,，室溫超導(dǎo)材料就會(huì)更容易推廣?！甭労,；⒄f。

葛軍飴表示,，室溫超導(dǎo)并不是一個(gè)新概念,，理論研究就曾預(yù)言，原子質(zhì)量最小的氫被金屬化后將表現(xiàn)出高達(dá)室溫的超導(dǎo)臨界溫度,。然而,，要使氫變成金屬，需要外界施加極大的壓力,。

直到2017年,，金屬氫才首次被迪亞斯及其導(dǎo)師在高壓下合成，但該實(shí)驗(yàn)至今仍無法被其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù),。2020年迪亞斯等人報(bào)道的高壓下的室溫超導(dǎo)也因?yàn)閿?shù)據(jù)可靠性存疑以及實(shí)驗(yàn)的不可重復(fù)性等原因在2022年9月被撤稿,。

“此次迪亞斯課題組的研究成果再次引起廣泛關(guān)注的原因在于，本次報(bào)道的室溫超導(dǎo)所需要的壓力條件比之前的氫化物體系出現(xiàn)超導(dǎo)所需要的壓力小得多,，只有之前的幾百分之一,。”葛軍飴認(rèn)為,。

未來將如何實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)

由于迪亞斯此次公布的成果降低了實(shí)驗(yàn)所需壓力,，因此世界各地的很多實(shí)驗(yàn)室都具備重復(fù)試驗(yàn)的條件。

3月15日,，聞?；F(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9個(gè)作者、長達(dá)16頁的研究論文，題目是“氮摻雜氫化镥（LuH_2±xN_y）近環(huán)境條件下不存在超導(dǎo)性”,，直截了當(dāng)?shù)胤穸说蟻喫沟难芯拷Y(jié)論,。

“迪亞斯制備樣品材料的方案幾乎不可行，我們結(jié)合自己的條件,，以全新的方式進(jìn)行合成,，得到了镥氮?dú)洳牧稀,！甭労,；⒄f。

經(jīng)X射線衍射儀技術(shù)檢查后,，該材料結(jié)構(gòu)與迪亞斯的樣品幾乎一致,。聞海虎團(tuán)隊(duì)隨即在6萬個(gè)大氣壓以下的不同壓力中,，對(duì)該材料電阻進(jìn)行了測(cè)量,，發(fā)現(xiàn)溫度低至10K時(shí)都沒有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí),，他們也進(jìn)行了仔細(xì)的磁化測(cè)量,，發(fā)現(xiàn)沒有超導(dǎo)所需的抗磁信號(hào)?！斑@些發(fā)現(xiàn)足以說明我們制備出來的與迪亞斯團(tuán)隊(duì)制備的類似樣品中,，沒有近常壓的室溫超導(dǎo)電性?！甭労,；⒄f。

季魯也認(rèn)同這一結(jié)論,?！奥労；F(tuán)隊(duì)將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強(qiáng)環(huán)境下,，確實(shí)在300K左右的溫度條件下看到了一些電阻數(shù)據(jù)的變化,，但看起來應(yīng)該是材料結(jié)構(gòu)的變化?！彼f,，這種變化可以認(rèn)定為一種相變，但應(yīng)該不是超導(dǎo)相變,。因此,，針對(duì)這種截然相反的結(jié)果，有兩種解釋——要么是迪亞斯的實(shí)驗(yàn)條件更加苛刻,，要么是迪亞斯團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)解讀有明顯錯(cuò)誤,。

“其實(shí)常壓下室溫超導(dǎo)材料的實(shí)現(xiàn)路徑,，除了迪亞斯這種金屬附氫加高壓的方向之外，還有很多其他辦法,?！甭労；⒔榻B,，比如沿著原來銅氧化物超導(dǎo)的方向,，也有可能實(shí)現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo)，這也是國際主流方向,。

理論成果往往要很久后才能投入應(yīng)用。葛軍飴認(rèn)為,，實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的路還很遙遠(yuǎn),。就如同距離高溫銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了30余年，但目前應(yīng)用最廣泛的實(shí)用化超導(dǎo)體仍然是20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的鈮鈦超導(dǎo)體,、鈮三錫化合物超導(dǎo)體等合金類的低溫超導(dǎo)體,。

聞海虎表示,，室溫超導(dǎo)是人類夢(mèng)寐以求的目標(biāo),。同時(shí)，我國也在積極推進(jìn)低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用進(jìn)程,，取得了較多進(jìn)展,。在低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用上，我國已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平,。而在高溫超導(dǎo)應(yīng)用上,，目前上海、蘇州等地的公司已經(jīng)能制備出釔鋇銅氧超導(dǎo)體的帶材,。此外,，我國科學(xué)家在目前國際上最看好的鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域，也作出了許多貢獻(xiàn),。

“如果能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)磁場(chǎng)下的超導(dǎo)磁體技術(shù),，可以讓核聚變更容易發(fā)生，再加上超級(jí)加速器,，能大大降低可控核聚變成本,，應(yīng)用前景廣闊?！甭労,；⒄f。

(編輯:月兒)