室温超導實現了？前科累累的印度裔專家，真的解決了世界難題？_風聞

昨天，遠在美國拉斯維加斯美國物理學會年會會場的學界人士將一個勁爆的消息以迅雷不及掩耳盜鈴之勢傳給了國內同行。

然後這個消息開始在物理學界小範圍裏傳播，緊接在各大財經，科技微信羣瘋傳，接着就是上新聞、上熱搜。

儼然成了讓學術圈、科技圈、財經圈乃至大量普通股民（韭菜）歡騰眾説的年度盛事。那麼這個消息是什麼呢？

01

這幾天，以凝聚態物理為主要交流領域的美國物理學會3月會議（APS March Meeting，美國時間3.5—3.10）正在賭城拉斯維加斯舉行。

按理説這種一年一度的常規學術會議很難在公眾中引發關注，畢竟誰願意死一堆腦細胞去聽懂你們摻了什麼物質、加了多少壓強、提高了多少温度，最後弄出來個性能比去年提高了千分之零點二的新材料呢？

除非你説你實現了室温超導！

美國時間3月7日下午，以美國羅切斯特大學助理教授Ranga P. Dias為首的科研團隊在這次會議上宣佈，他們在約1GPa（一萬個大氣壓）的壓強、**21℃**的温度下觀察到了超導現象。如果這個發現後續被證明是真實的，應該可以預定一個諾貝爾物理學獎！

（圖中站立者為Ranga P. Dias）

人類真的要實現室温超導了嗎？

我知道你很急，但你先別急。

要理解這次的發現歷史意義到底如何，我們有必要捋一捋超導的前世今生。

超導（Superconductor）就是超級導體。正如超級賽亞人可以完爆賽亞人一樣，超導體具有普通導體無法達到的優秀性質，其中最突出的一條，就是零電阻性。

1911年4月8日，荷蘭物理學家昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發現了超導現象。當時他正在研究固態汞在低温下的電阻，偶然發現在4.2K（約零下269℃）的温度下，汞的電阻突然消失啦！

不過，當時的昂內斯並不知道發生了什麼，完全沒有意識到問題的嚴重性，只是把這個發現隨手寫到了筆記本上。直到一個多世紀後，人們才在他的筆記本中知道了這個偉大發現的確切日期和具體情況。

科研就如同開採油田，只要有個洞裏冒出來了點油沫，同行們便會扎堆過來分一杯羹。在隨後的幾十年中，科學家在其他幾種材料中也觀察到了超導現象。例如鉛在7K（1913年）、氮化鈮在16K（1941年）、鈮鈦(NbTi)合金在約10K（1962年）時等都表現出了超導性。

**科學發現積累到一定程度，就需要科學理論去解釋。**否則它將是無本之木、無根之水，走不長久的。然而，直到昂內斯發現超導現象的40年後，描述它的理論才得以成功建立。

1950年，前蘇聯物理學家朗道和金茨堡提出了金茲堡-朗道理論。該理論結合了朗道的二階相變理論和類似薛定諤波動方程的公式，在解釋超導體的宏觀特性方面取得了巨大成功。

1957年，三名美國物理學家，巴丁（J.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）、施裏弗（J.R.Schrieffer）提出了完整的超導微觀理論——BCS理論。它將超導電流解釋為超流體形式的庫珀對，超導是由低温下冷凝成玻色-愛因斯坦凝聚態的庫珀對導致的一個宏觀效應。

也就是説，超導現象是量子層面效應的宏觀體現。只有量子力學建立後，才能找到對它進行解釋的理論模型，而這也正是耗費幾十年才得以發展出BCS理論的客觀原因。

1959年，前蘇聯物理學家Lev Gor’kov證明BCS理論在接近臨界温度（超導體從普通態轉變為超導態(零電阻)時的温度）時可以簡化為金茲堡-朗道理論，體現了兩理論間的內在聯繫和統一性。

更有趣的一點是，作為描述物質材料超導性的金茲堡-朗道理論，它的四維推廣形式——Coleman-Weinberg模型，在量子場論和宇宙學中也有着重要意義。

換句話説，超導並不僅僅在研究如何讓電阻變為零，更是一種微觀量子力學如何在宏觀世界得以體現的規律。

02

一百多年來，人類對超導體的狂熱追求從未減消。因為它能給世界帶來的改變實在太大。

舉個最貼近大家日常生活的例子。

中國在2021年的發電量達到了8.53萬億度，位居全球第一。如此高的用電需求也促進了中國在電力輸運領域的技術發展，其中特高壓輸電便是中國在此過程中修練出來的曠世神功。

網絡上流傳着這樣一句話：在特高壓輸電領域，中國標準就是世界唯一標準。

這句話不是尬吹，就是事實。中國是世界上唯一掌握特高壓輸電技術並廣泛應用的國家。集全球之力搞的可控核聚變項目ITER正在法國如火如荼地進行中，支撐該工程運行的高壓電網所需的全部設備都有一個國家提供，那就是中國。

中國特高壓輸電的發展往事值得好好講講，但它並不是今天的重點，重點仍要回歸到超導上來。那麼，特高壓輸電和超導又有什麼聯繫呢？

簡單來説——它們都能省電！

學過中學物理的朋友應該還記得，導體導電，但導體也耗電。由於導體內電阻的存在，當電流通過時，電阻會發熱導致電能的損耗。

P熱（發熱功率）=I2（電流）R（電阻）

怎麼降低電能損耗呢？很明顯，要麼降低電流，要麼降低導體電阻。在輸電過程中，輸電功率基本是固定的，這個功率和電流、電壓的關係是：

P輸（輸電功率）=U（電壓）I（電流）

可以看出，當輸電電壓越大的時候，電流也就越小，這便是特高壓輸電在減小電能損耗方面的優勢。而超導則從另一條路，也就是減小（“消滅”）電阻方面起到了異曲同工之效。

特高壓輸電再怎麼提高電壓也不是無限的。只要電阻存在，輸電線路長了，電能在電線中的損耗便是一個不可忽視的資源浪費。據估算，中國每年在輸電線路上的電能損耗率在**5%**左右。

以2021年的發電量來算的話，相當於有4.27千億度電都浪費在了路上！約為4個三峽大壩的年發電量！按每度電五毛錢來算的話，那常温超導在國內至少是一個年產值千億級別，全球年產值萬億級別的產業！

但如果僅僅是認為常温超導能為我們省下幾千億電費，那這個格局就太小了。

我們電網的能量分佈並不是均勻的，在一些設施上往往會聚集巨大的能量，比如大城市周邊的高壓變電站，大數據中心，核磁共振MRI設備，質子重離子治療儀，磁懸浮列車，粒子對撞機，可控核聚變託卡馬克裝置等等等等，這些設施就像是武俠小説裏講的穴位一樣，支撐着社會的運轉。

但常規導體制造的線路所能支撐的電流是有一個上限的，並且很低，這就使得這些設施的電路設計變得極為複雜並且能量級別嚴重受限。

一旦常温超導材料投入使用，就相當於打通了整個社會的任督二脈，功力便會更上一層樓。

但這裏有個很重要的問題：目前的超導好像都是在極低温下才能實現的。

03

自超導現象被發現以來，我們在為它的神奇特性着迷的同時，的確也為實現它所需的苛刻條件而頭疼。

學界對超導體劃分了好幾個分類標準，其中一個就是按照臨界温度的高低來的：低於77K的是低温超導體，高於77K的是高温超導體。

77K是多少温度呢？-196.2℃（液氮的沸點）！好一個高温啊！

當然啦，我們不能按照常規的理念去審視這些學術名詞。因為在科學家看來，能不用到昂貴的液氦（沸點是-268.9℃），只用液氮冷卻材料就能實現超導，已經足夠令人激情澎湃啦。

1986年，世界上首個高温超導體（當時高/低温的分界限是30K）由IBM的研究人員貝德諾爾茨和米勒發現。他們成功在35K（-238℃）的温度下發現了鑭鋇銅氧化物(LaBaCuO) 的超導性。

在過去的75年裏，臨界温度從1911年的4.2K上升到了1973 年的23K（鈮三鍺Nb3Ge），之後便是長達13年的停滯。二人的發現完全超出了人們之前的猜測與預期，因為以往的超導體多為金屬材料，而這次突破臨界温度極限的竟然是常温下絕緣的陶瓷材料！

（橫座標時間，縱座標温度（K））

1987 年，貝德諾爾茨和米勒共同獲得了諾貝爾物理學獎，而這也創造了一個記錄——在所有獲得諾貝爾獎的科學家中，二人是從取得科學發現到獲獎相隔時間最短的。

預言上帝粒子的彼得·希格斯掩面痛哭，他所提出理論到被實驗證實，再到被授予獎項，花了近半個世紀的時間！

貝德諾爾茨和米勒的發現燃起了學術界的研究熱情，振奮激昂的研究者們開足馬力，很快就發現了臨界温度Tc更高的超導陶瓷材料（金屬氧化物，多是銅酸鹽），如LaSrCuO (Tc≈38K)、YBaCuO (Tc=92K)、BiSrCaCuO (Tc=107 K)……

截止到2021年，具有最高臨界温度的超導材料是汞、鋇和鈣的銅酸鹽。它的Tc≈133K（-140℃），進步可謂顯著。

銅酸鹽超導材料由於是工作在液氮的温度區間，而液氮相對於之前實現超導所需的液氦，要便宜得多，比礦泉水還要便宜，於是它已經呈現出很強的大規模應用潛力。比如説它已經被用來建造下一代高温超導核聚變託卡馬克裝置，一些實驗性質的超導線纜也已經國內電網當中投入運營。

（這裏順便説一下，這種高温超導現象的形成機理目前不清楚。它不能被傳統的BCS理論所解釋，提出靠譜理論解釋這一問題的人必然會得諾貝爾獎，而且是你現在提出年底就能得的那種，加油吧各位，看好你們哦！）

而人們就在這種沒有理論指導實踐的隨機遊走中，發現了另一種實現高温超導的路徑——高壓。

高壓高温超導體同樣被歸於高温超導體。早在上世紀九十年代，科學家就嘗試通過加壓的方式來觀察超導材料的臨界温度。

上文所説的汞鋇鈣銅酸鹽的臨界温度（133K）是在日常情況下，也就是一個標準大氣壓下測得的。當對它們施加30GPa（約30萬個大氣壓）的壓強後，其臨界温度竟然提升到了164K，也就是-109℃。

2019年，德國馬普化學所Drozdov團隊發現在170GPa的壓強下，稀土族富氫超導材料LaH10（鑭氫）的臨界温度達到了250K（-23℃），已經接近了更高意義上的高温超導——室温超導！

04

鋪墊了那麼多，也是時候來談談Ranga P. Dias這次所宣稱的室温超導技術了。

在這場神秘兮兮（會議主持人説，由於某些特殊的、不可説的原因，不許現場提問題）的發佈會上，Dias宣佈：他們在高温高壓下合成了氮鑥氫化物（nitrogen-doped lutetium hydride），該材料在1GPa（一萬個大氣壓）時，超導臨界温度高達294K（21℃），已經算是真正意思上的室温超導！

此外，他還聲稱所施加的壓強越小，臨界温度越高（也就是越容易實現超導）。雖然結果很美妙，但也的確很反經驗！

但話説回來，誰第一眼看到這種科學成果都得拍手稱讚。如果這項成果被二次證實了，不用懷疑，這哥們將會得到諾貝爾獎。

但是，歷史的經驗告訴我們，“但是”永不缺席。

Dias的學術背景好像有點不乾淨啊。

2017年，他和團隊成員在SCIENCE發文，宣稱在495GPa下產生了金屬氫超導體。但由於無法被重複，後來就不了了之了！你沒看錯，如此重要的發現，就如同被掃進垃圾堆一般沒人在乎啦，連Dias自己也不提了！

2020年，他又在Nature上發文，宣稱在270GPa的大氣壓強下，摻碳硫化氫（CSHx）材料的臨界温度達到了287K，也就是14℃。

如果不是被同行質疑並在之後被Nature堅持撤稿的話，倒真可以算作此次大新聞的悦耳前奏。

正是由於這個人的前科累累，我們才不得不審慎對待由他引發的關注和討論。在同行檢驗他的結果並給出最終的評判前，作為外行人的我們很難去對他這次成果的意義下結論。

那麼我們可以相信Dias嗎？我想去從另一個角度去看看這個人的學術水平到底如何。

(https://scholar.google.com/citations？hl=en&user=HDoF5YEAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate)

上圖是谷歌學術統計的Dias這些年的論文發表及被引用情況。引用數最高的前兩篇前面已經被我們“盤過”了。除此之外，此人的研究成果好像並不突出。最高的引用數只有一百多次，大多數文章只有極低的兩位數甚至個位數引用。

在學術界，發文數和引用數是判斷一個學者研究水平的重要考量，雖然它不是個絕對準確的判斷標準，但在大多數情況下，是能體現一個人的能力高低的。

畢竟我不信Dias能像希格斯老爺子那樣，僅靠一篇論文就拿諾貝爾獎。

此外，Dias目前的h因子值為16（科研人員的h指數是指他至多有h篇論文分別被引用了至少h次。），在不考慮此人天賦異稟的情況下，遠算不上是一個頂尖的學者。

有趣的是，h因子的發明者——美國物理學家Jorge Hirsch，正是質疑Dias存在論文造假可能性的科學家之一。

05

一百多年來，人類對超導體、高温超導體的研究就像是一場發現新大陸的探險，誰也不知道那座萬眾期待的美麗島嶼到底在哪裏。但人們永遠也不會放棄這條探索之路，因為超導體的應用場景實在太多！

（超導體發現時間表。藍色菱形表示銅酸鹽，黃色方塊表示鐵基化合物。綠色圓圈表示二硼化鎂、低温或高壓金屬超導體）

早在上世紀五六十年代，超導體就被用於構建使用低温管開關的實驗性數字計算機，雖然它後來沒有成為計算機的基本模塊，但卻為後來的IBM等公司製造超導量子計算機的量子比特提供了參考價值。

（https://spectrum.ieee.org/dudley-bucks-forgotten-cryotron-computer）

在生物醫學領域，以超導體為核心組件的超導量子干涉儀SQUID 是人類製造的最靈敏的磁場探測器。它可以探測大腦的活動信號，並以此來推斷大腦內部的神經活動，還可以檢測心臟的磁場以進行診斷和風險分層。

在科研領域，以超導材料製造的超導磁體被廣泛應用於粒子加速器、對撞機、託卡馬克等大型科研裝置中，它們產生強大的磁場來將基本粒子或等離子體約束在裝置內部。

在能源領域，除了我們之前説所的輸電效益外，如果用超導體來製造風力發電機，也能顯著降低建設成本。

歐盟“地平線2020”計劃在2019年資助了一家名為EcoSwing的聯合企業，該公司在丹麥西部3.6兆瓦風機上安裝了一個超導體傳動系統。

系統用由超導電線線圈製成的電磁體取代永磁體，與商用永磁直驅發電機相比，重量減輕了40%，對稀土金屬（製造永磁體的關鍵材料）的依賴更是下降了兩個數量級以上。如果批量生產，發電機的成本可降低40%！

除了上述領域，（高温/室温）超導體還有更多有前途的應用場景，包括但不限於高性能的智能電網、電力存儲裝置、磁懸浮設備、超導磁製冷設備等。

正是因為室温超導體的應用價值如此之大，人們才會對這個領域任何一點風吹草動保持關注，但不得不説，即便Dias這次搞出的大新聞被證實是真的，也遠不能算得上是容易實現的室温超導。

從應用的角度來説，因為實現一萬個大氣壓要比實現零下一百多度液氮温度要困難的多，也要貴得多得多，現在很多餐廳上冷盤都用到液氮了，所以Dias的這個發現推動產業發展的潛力也有限。

從理論的角度來説，Dias並沒有提出新的理論，而真正的金礦將來自於能解釋高温超導現象的理論被提出，指導我們去發現性質更好的超導材料，甚至最終發現室温常壓的超導材料。

超導還有很長的路要走。

等Dias的結果被驗證能否被重複的那一天，我想不會很遠，我們會保持關注；等未來真正實現室温超導的那一天，我想終會實現，到時候如果我還活着，我會開一瓶茅台。