疑點尚存的室温超導萬一為真，就能點燃科技革命嗎？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！03-10 11:14
火遍全網的常壓室温超導尚存幾大疑點，真實性有待驗證。不過，即便其他實驗組能夠重複出來，想要產業化應用也還有諸多材料上的難關待解。雖然前景變得更加光明瞭，但依舊“道阻且長”。
撰文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所研究員）
2023年3月8日，一則“大新聞”同時點爆了科技界和金融界的敏感神經。來自美國羅切斯特大學的迪亞斯（Ranga Dias）等人在美國物理學會三月會議上宣佈發現“近常壓室温超導”材料，一種由鑥-氮-氫 （Lu-N-H）構成的三元化合物，在1萬個大氣壓下（1GPa 或 10 kbar）可以實現最高温度為294 K（即21°C）的超導電性。3月9日，Nature同步上線Dias團隊的論文，題目為“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride（氮摻雜鑥氫化物中近常壓超導電性證據）”[1]，同期發表科研同行的News & Views文章“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain (室温超導電性燃起新希望，但質疑仍然存在) ”[2] 。Science也同步上線了一篇評述文章“‘Revolutionary’ blue crystal resurrects hope of room temperature superconductivity（革命性“藍色晶體”重燃室温超導新希望）” （圖1）[3]。一時間，業界驚呼，常壓室温超導有希望了！未來能源和電力技術革命即將到來！然而，驚喜之餘，科研同行們卻是非常冷靜地看待這件事情。
Nature因何再度接收論文
的確，“室温超導”已經不再是第一次“狼來了”。而上一次關於“室温超導”的報道在2020年10月14日，Nature發表了題為“碳氫硫化物中室温超導電性”的論文，論文一共9位作者，其中通訊作者就是R. P. Dias[4]。這9位作者中，有6位和2023年這篇論文的作者重疊。那一次的“室温超導”，受到領域內諸多科學家的嚴重質疑，前後爭議2年的時間，相關作者最終沒有拿出令人信服的證據，業界沒有人能夠重複出他們的結果。Nature編輯部於2022年9月26日做出了撤稿決定，即便論文的9位作者都不同意撤稿。在不到半年的時間裏，Nature又再次接收發表該團隊的論文，令人驚呼“狼又來了嗎”？而且據悉，該團隊此前被撤稿的關於碳氫硫化物超導的工作，在不久之前（2023年2月）又被他們自己“重複驗證”了，相關論文已經投稿[5]。關於這一次的“室温超導”是真是假，顯然科研圈懷疑的聲音要遠大於相信的聲音。
在這篇論文中，Dias團隊給出了Lu-N-H化合物的多個超導證據：1. 零電阻效應，即材料到達一定温度以下電阻降到絕對的零；2.抗磁性效應，即材料進入超導狀態之後，可以抵禦外磁場的侵入，形成負的磁化率；3. 比熱躍變，即材料在發生超導相變的時候，比熱存在不連續的躍變，這是熱力學二級相變的典型特徵 （圖2）。一般來説，有這三點證據，足以判斷材料的超導電性。此外，論文還給出了材料的X射線衍射和拉曼光譜數據，並結合理論計算推測了材料的基本結構。可以説，“證據鏈”十分完整！論文在Nature的網頁上還給出了大部分原始數據和數據處理的步驟方法，有興趣的讀者可以自行去下載驗證。從這些角度來看，似乎種種暗示“狼真的來了”！
若干疑點
但令業界十分困惑的是他的數據結論，這個材料竟然在壓力30 kbar以下就已經有200 K以上的超導電性了，而且壓力越低，超導臨界温度Tc越高！最高的臨界温度在10 kbar左右達到294 K，此後更低壓力下超導温度下降到100 K以下（圖3a）。更匪夷所思的是，這個材料在常壓是藍色的小晶體，加壓之後會變成粉色，最後變成了紅色，和傳統金屬氫化物超導體觀測到的黑色樣品完全不一樣（圖3b）。如此反常的温度-壓力相圖和奇怪的顏色變化，令人十分狐疑。而且，論文中給出的分子式裏，Lu和N的比例幾乎是1:1，H的含量只有3左右，這和大家熟悉的稀土氫化物含H在5和6甚至更多的情況不符。在H含量如此低的情況下，根據他們給出的材料結構，H原子的間距還很大，幾乎可以排除是來自H元素本身（類似金屬氫或此前發現的LaH10）的超導。這些奇特的現象，令人似乎覺得“即使這個材料超導是真的，也不太像是傳統的BCS超導體了。”
當然，業界的質疑不僅限於此，有人還對他們公佈的原始數據進行了簡單分析，發現他們處理數據的過程仍然過於粗糙。例如磁化率數據中出現的抗磁信號，是在一個非常大的背景信號加上一組非常雜亂的測量信號經過一定處理才得到的。甚至，如此漂亮的零電阻轉變的數據，依舊是採取了“扣背景、降噪音”的方法得到的。至於背景如何選取，噪音如何“抹平”，更無從知曉。
萬一實驗成真的幾點理論啓示
當然，如果這個研究結果是真實可靠的，它至少給我們帶來了一些新的啓示：1.室温超導是完全可以實現的，從實驗上來看，超導材料的臨界温度，沒有上限！2. 高壓下的氫化合物超導是最有希望找到室温超導材料的，它們或許不需要諸如百萬級大氣壓的壓力才能實現，在更低的壓力下也有希望；3. 如果能夠進一步降低壓力或者藉助材料內外的化學應力來實現常壓穩定的超導材料，那麼所謂“常壓室温超導材料”就真的實現了！[6]
如果真的發現常壓室温超導材料，意味着什麼？
意味着科學家們追逐百餘年的夢想，終於實現了！
意味着超導材料的刷新臨界温度之旅，進入了一個全新的室温超導新時代！（圖4）
意味着新世界的物理大門，從此敞開了！
我們盡情可以暢想，常壓室温超導給我們帶來更多的驚喜，未來似乎一切可期！
萬一成真，就足以點燃科技革命嗎？
顯然，這次“近常壓室温超導”事件，社會上的反響要遠遠比科研圈熱鬧許多。筆者所知的多家媒體都對該事件特別感興趣，也有許多媒體對超導研究的科學家們展開了轟炸式的採訪，令人有點不知所措。我們姑且不論這篇論文數據真實與否，單純就論文中的發現，是否真的足以點燃未來科技革命呢？顯然是“過於激動而無法展示”了。原因是：論文裏提到的“近常壓”（10 kbar）其實離我們熟悉的常壓（1 bar，即1個大氣壓）還遠着呢……事實上，一萬個大氣壓，比世界上最深的馬裏亞納海溝的壓力，還要強上十倍！如此高的壓力，如何方便規模化產業應用？更何況，高壓下製備的樣品量是極少的，大部分是微克、毫克量級，壓力腔大的裝置生產的樣品也不過數克而已，面對產業應用達到噸量級的產量，就是一條無法逾越的鴻溝。
此外，科學家還有幾大材料上需要面臨的現實問題。
首先，常壓室温超導的實現，是否意味着超導從此能夠較為廉價地規模化應用呢？並非如此！限制超導材料是否能被規模化應用的瓶頸，臨界温度參數只是其中一個。事實上，超導體還有臨界磁場，大部分超導體還有兩個臨界磁場（上臨界場和下臨界場），一旦突破這個磁場，磁通線將會進入超導體內部，造成能量耗散，甚至完全破壞零電阻。不僅如此，超導體還具有臨界電流密度，並非因為電阻為零，稍微加個電壓，電流就可以無窮大。對於特定的超導材料而言，一旦電流密度超過臨界值，那麼它就會瞬間“失超”，即產生電阻迅速發熱快速升温超導徹底消失。這三個臨界參數：臨界温度、臨界磁場和臨界電流，就像扼住了超導應用的咽喉，而且很多時候由材料本徵特性所決定（圖5）。所以，光有一個臨界温度到達室温的超導體還不夠，還得看它是不是一個具有“三高”臨界參數的超導體，這一點還需要研究研究。舉例來説，銅氧化物高温超導體發現已有近40年了，它們臨界温度也很高，輕鬆達到100 K以上，甚至只需要液氮（77 K）冷卻即可，但是它們規模化強電應用依舊沒有完全實現，原因之一就是它的下臨界場太低[7]。
其次，如果找到了“三高”的常壓室温超導體，是否意味着就好用了呢？未必！因為還要看臨界參數的具體行為，比如對於大部分超導體，都屬於“第二類超導體”，存在上下兩個臨界場。特別是一些臨界温度高的超導體，往往臨界場還有很強的“各向異性”。你可以認為超導體是一個小薄片，當磁場垂直於薄片和平行於薄片的時候，超導的臨界温度壓制的效果差異幾十甚至上千倍！那麼，一旦磁場達到其中最低的臨界場的時候，超導的完全抗磁性甚至零電阻特性就被破壞掉了。情況是如此糟糕，這意味着決定強電應用天花板的，不是參數的上限，而是參數的下限。所以，即使銅氧化物的上臨界場在100甚至200多T以上，但是它在另一個方向的上臨界場可以低到1T以下，而對於下臨界場，甚至可以低到僅僅0.01 T以下。試想，稍微加一點磁場，還沒開始用呢，磁通線就穿透進去了，它在裏面的運動又很難預測，有各種豐富的組態（固態、液態、塑性態、玻璃態等），在更高磁場下，超導材料的可靠性就動搖了（圖6）[8]。
再者，如果我們找到綜合臨界參數都很好，而且各向異性也很小的常壓室温超導材料呢？新的問題依舊存在！比如鐵基超導材料，雖然它們的臨界温度不如銅氧化物高，但是它們的臨界磁場依舊很高，可以達到幾十甚至上百T，而且在低温下幾乎是各向同性的。顯然，鐵基超導看起來是十分合適的應用材料，更優越之處在於，鐵基超導承載電流的能力在強磁場下不怎麼退化，而且經受幾次升降温之後，它依舊能保持良好的性能。只是遺憾的是，目前的鐵基超導材料臨界電流密度指標並不高，而且產能尚處於實驗室應用的階段，未來還需要進一步努力（圖7）[9]。即使克服了物理因素的制約，鐵基超導材料還要面臨化學因素的制約——大部分鐵基超導體都是含有鹼金屬或鹼土金屬的砷化物，怕空氣、怕水、還有毒，一旦規模化製備，這些安全隱患需要想辦法去克服。
最後，如果以上條件都克服了呢？這樣的常壓室温超導體，該好用了吧？也還未必！我們還以銅氧化物材料為例，假設類似材料都克服了以上困難，在銅氧化物材料中還有一個困難，那就是作為陶瓷類材料的銅氧化物十分脆弱，力學機械性能很差。因此，直接使用銅氧化物材料做線材是不現實的，很難成型不説，基本上無法在各種捲曲纏繞下仍然保持良好的載流性能。當然，幾十年來，科學家做了非常多的努力。主要有兩個途徑：粉末套管法和基帶鍍膜法。前者把超導粉末套進金屬管子中，然後再拉成線材，並經過熱處理提高超導性能。後者藉助一條薄金屬基帶，通過各種緩衝層和保護層，把超導材料鍍上基帶中間一層，基帶厚度約100 μm，超導層厚度約 1 μm（圖8）。最終人們發現，銅氧化物超導線帶材的成本最大部分根本不是超導材料本身，而是所使用的金屬套管或金屬基帶，加之後面還需要熱處理的各類工藝，成品率並不是很好[6]。所以，如果有了常壓室温超導體，我們還更希望它是一個類似具有金屬延展性和韌性的材料。
以上舉的例子，只是關於超導的強電應用。在超導的弱電應用方面，即使實現了常壓室温超導體，除了普遍的“三高”臨界參數外，我們還希望它是具有阻抗性能好、相干長度大、對空氣不敏感、易於進行微納尺度加工等特點。這同樣是往往很難兼顧的。
所以，在如今人們其實已經發現了數萬種超導材料，臨界温度在20 K以上的超導材料也有不少，但是超導強電應用方面最普遍使用的還是傳統的Nb-Ti合金，其強度、韌性、可重複性都非常優越，但超導温度在9 K以下，遠遠低於室温！其次，還有Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等，超導温度也不超過24 K！而在超導弱電應用方面，超導量子計算機的芯片大部分用的都是鋁，或者用鈮，超導諧振腔裏基本上用的都是純Nb，超導的單光子探測器用NbN等，這些材料的超導温度均不超過20 K，僅有超導濾波器和太赫茲探測器等用到了高温超導薄膜。傳統超導體中，人們發現MgB2的臨界温度可達39 K，但是它的臨界參數卻低得可憐，基本上只能用於3 T以下的應用場景，而且材料的硬度太高，不適合加工成型（圖9）[10]。
我們可以設想，即便是有了常壓室温超導材料，超導的大規模應用，雖然前景變得更加光明，但依舊“道阻且長”。也正是如此，對於超導材料的探索、超導機理的研究和應用基礎的研究，需要持續不斷地努力，最終才能篩選出在各種應用場景最合適的材料。對於特定的材料而言，它具有的豐富物性需要充分挖掘，世界上沒有“不好用”的材料，只有你“不會用”的材料！材料探索就像在電子的海洋裏釣魚一樣，釣上來的魚奇形怪狀，卻各有用途（圖10）[6]。
在這一波的“室温超導”熱裏，希望大家保持清醒冷靜的頭腦，堅持理性分析的態度，最終以事實為基準判斷。超導的探索在未來依舊會充滿驚喜，希望大家能夠保持對基礎研究的關注度，多瞭解研究的內涵，而不是看完新聞就問“這研究有什麼用？”。多讀讀關於超導介紹的書籍，你會有更大的收穫 (圖11)！（全文完）
參考文獻
[1] N. Dasenbrock-Gammon et al., Nature 615, 244 (2023).
[2] C. Jin and D. Ceperley, Nature 615, 221 (2023).
[3] Science News, DOI: 10.1126/science.adh4968
[4] E. Snider et al., Nature 586, 373(2020).
[5] H. Pasan et al., arXiv: 2302.08622.
[6] 羅會仟 著，《超導“小時代”——超導的前世、今生和未來》(清華大學出版社2022).
[7] 聞海虎, 物理, 2006, 35(01): 16-26 及 35(02): 111-124.
[8] 張裕恆, 超導物理, 中國科學技術大學出版社, 2009.
[9] H. Hosono et al. Mater.Today 21, 278-302 (2018).
[10] C. Buzea, T. Yamashita, Supercond.Sci.Technol. 14, 115-146 (2001).