投資界的狂熱和科學界的冷靜：室温超導 | 袁嵐峯_風聞
风云之声-风云之声官方账号-03-12 21:30
最近，室温超導可能成了整個科學界最火的新聞，甚至許多投資家都在惡補超導知識。那麼，超導究竟是什麼？它在生活中有什麼用處？這次新聞中的室温超導是如何實現的？這個結果是真的還是假的？如果是真的，那麼意味着什麼？是不是我們的生活會發生天翻地覆的變化？下面，我們就來解讀這些問題。
超導顧名思義是“超級導電”，實際意思是電阻變成0，即電流不衰減。平時見到的材料都有電阻，所以電流傳輸時會發熱，也就是説電能白白浪費成熱能了。即使是我國世界領先的特高壓輸電技術，也會有15%的電能變成熱能。而如果電阻為0，就完全不會發熱，電流不會衰減，這是一個巨大的好處。
特高壓輸電
超導的發現是相當出人意料的。二十世紀初，低温技術取得突破時，許多科學家在預測材料的電阻隨温度下降會怎麼變化。有人認為隨温度下降，電阻應該一直下降，但到絕對零度即0K都一直保持有限值。有人認為正相反，即隨温度下降電阻會上升。還有人認為，電阻會在0K時剛好降成0。那麼實際結果是什麼呢？
不同科學家對金屬電阻温度關係的猜測與昂內斯的實測（羅會仟《超導“小時代”》）
1911年，荷蘭科學家昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853 - 1926）做了實驗，發現水銀即元素汞（Hg）在4.2K時發生一個突變，電阻從有限值突然降成0，在更低的温度下也一直為0。這種行為跟所有人預測的都不一樣！大自然不按套路出牌啊！就這樣，超導意外地闖入了科學領域。
汞在4.2K的電阻突然降為0（羅會仟《超導“小時代”》）
昂內斯（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/）
你可能會問，這個電阻為0究竟是精確的0，還是一個很低的有限值？
從昂內斯以來，有很多科學家做了測量。結論是超導體的電阻率如果不為0，也比導電性最強的銀低10個量級。所以目前看來，它就是精確的0。
幾種常見金屬的電阻率，超導體的電阻率比其中最低的還低10個量級（羅會仟《超導“小時代”》）
你可能還會問，所有的材料都會出現超導現象嗎？
答案非常奇妙，並不是。例如銅、銀、金，它們在常温下電阻就很低，但無論把温度降到多低，都不能把電阻降到0。或者説，它們即使有超導，轉變温度也比目前人類能實現的温度更低。反過來，有些材料雖然是絕緣體，卻可以通過摻雜或加壓改造成導體，最終在温度低到一定程度時變成超導體。所以，一種材料究竟有沒有超導，仍然是難以預測的。
超導既然有巨大的優勢，那麼它在日常生活中有沒有廣泛使用呢？
很遺憾，並沒有。如果要去列舉超導的應用，也能舉出不少，例如醫院的核磁共振儀器會用到超導磁體，我國在研製超導磁懸浮列車。但跟其他高科技例如激光相比，超導的應用就少得多了。最明顯的，我們平常沒有一件家電是超導的。輸電線假如換成超導的，固然能減少熱損耗，但保持低温的費用會比收益高得多，所以並沒有大規模使用。
時速600+ 世界首台高温超導高速磁浮工程化樣車下線（https://news.swjtu.edu.cn/shownews-21057.shtml）
超導材料的電學應用舉例（羅會仟《超導“小時代”》，由中科院電工所肖立業提供）
在日常生活之外的科研與精密測量領域，超導有不少用處。例如我國的核聚變裝置“東方超環”EAST，它的定位就是全世界第一台全超導的託卡馬克。為什麼要全超導呢？因為用磁場約束等離子體需要強大的電流，如果用常規導線就會嚴重發熱，只有全部用超導導線才能持續工作。
超導磁體在科學研究中的應用（羅會仟《超導“小時代”》，來自中科院等離子所、歐洲核子中心、牛津儀器等）
又如超導量子干涉儀（SQUID），它是測量微弱磁場的精度最高的設備，可以分辨出地磁場的億分之一甚至更低。
超導量子干涉儀（羅會仟《超導“小時代”》）
量子計算機是目前最火熱的研究領域之一，它有若干條技術路線，其中最主流的之一就是超導（中國量子計算機再次突破，九章二號和祖沖之二號是什麼意思？| 科技袁人）。因此，超導的應用是處於有巨大潛力、但遠未充分發揮的狀態。
谷歌的超導量子計算機“懸鈴木”
下面的問題是，這次引起轟動的室温超導究竟是怎麼回事？
這是Rutgers大學的Ranga Dias教授報告的，説他們用一種Lu-N-H的材料（Lu是71號元素鑥，一種稀土金屬。鑥-氮-氫這名字怎麼聽着像“滷蛋清”？），實現了最高可達21攝氏度（即294K）的超導，而且只需一萬個大氣壓。294K雖然比科學家平時説的室温300K低一點，但已經非常接近了。真正有趣的是“只需”一萬個大氣壓，——為什麼會這麼説呢？
2023年3月8日，Ranga Dias教授報告現場
在水銀4.2K的超導發現之後，人們就在努力尋找轉變温度更高的材料。一個重要的門檻是77K，即液氮的温度。在此之下只能用液氦或液氫來冷卻，成本非常高，而在此之上就能用液氮冷卻，實用性就大增了。在很長時間內都沒有找到這樣的材料，甚至還有理論預言超導轉變温度不能超過40K，因此人們的熱情逐漸冷下去了。然而，1986年，德國科學家Bednorz和瑞士科學家Müller發現了一類銅氧化物材料有超導，而且能突破這個極限。這掀起了一場全世界的熱潮，紀錄不斷被突破，其中中國科學家朱經武、趙忠賢等人做出了很大的貢獻，目前在這種體系中的最高紀錄達到了165K。
1987年諾貝爾物理學獎授予Bednorz和Müller，因為他們在發現陶瓷材料超導中的重要突破（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/）
朱經武（http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/200906/t20090624_1808797.html）
趙忠賢和屠呦呦獲得2016年度國家最高科學技術獎
非常有趣地，超過40K的超導被稱為高温超導，或者即使沒到40K、但結構跟那些超過的屬於同一類的也叫做高温超導。所以超導是一個非常神奇的領域，在這裏室温比高温要高！
假如你去問一個科學家，你已經實現了高温超導，請問你的下一個目標是什麼？他可能回答你，是室温超導。正如那個中國乒乓球隊的笑話：祝賀你獲得世界冠軍，請問你的下一個目標是什麼？回答是：全國冠軍。
近年來，繼續提高超導轉變温度的努力集中在加壓上。因為根據某些理論，對含有輕元素（例如最輕的元素H）的物質加壓強，有利於它實現超導。在這方面確實也取得了不少成果，例如2015年，德國科學家Drozdov和Eremets在S-H體系中發現了203K的超導，壓強為220萬個大氣壓，這是在中國吉林大學馬琰銘研究組和崔田研究組的理論預測下實現的（從量子研究看中國科技實力突進）。在這條路徑上，紀錄已經刷新到了260K。
《203K高壓下硫氰化物的傳統超導》（https://www.nature.com/articles/nature14964）
各類超導體發現的年代和臨界温度，插圖為典型的材料結構（《中國科學》）
然而，所有這些實驗都需要很高的壓強，典型值是幾百萬個大氣壓，相當於地核中的壓強甚至更高。在實驗室中實現這樣的壓強都很有難度，更不用説工業應用了。因此，Dias這次説的一萬個大氣壓就行，確實是一個巨大的突破，——假如它真實的話。
不過，Dias的信譽有點存疑，因為他已經搞過兩次烏龍了。2017年，他和同事宣佈在將近500萬個大氣壓下製備出了金屬氫，發表在《Science》上。然而當他們準備測量金屬氫是否超導的時候，一個誤操作把壓着樣品的高壓設備金剛石對頂砧搞壞了，這所謂金屬氫的樣品消失得無影無蹤（超高壓下的極端含能材料丨中國工程院院刊）。這是他們的説法，在許多人看來就很有造假的嫌疑。
《觀測到變成金屬氫的Wigner-Huntington轉變》
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aal1579
2020年，他和同事宣佈在C-S-H體系中實現288K的室温超導，壓強為267萬個大氣壓，發表在《Nature》上。然而在許多人的質疑下，Nature雜誌社在2022年把這篇文章撤了稿，雖然Dias等九位作者都不同意。
2022年，《Science》對288 K超導文章撤稿的報道
現在，他們又在《Nature》上發表文章。衞星已經放到第三次了，質疑自然也不會少。所以雖然投資界陷入狂熱，學術界卻還是很冷靜的，無論如何要先驗證了結果再説。
《一種氮摻雜鑥氫化物中近常温常壓超導的跡象》
（https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0）
Ranga Dias等人論文中給出的Lu-N-H超導電性證據：零電阻、抗磁性和比熱躍變
當然，我們並不是説這次的結果必然是假的。最有趣的是，一萬個大氣壓對實驗室來説是相對容易實現的，所以全世界應該有很多個研究組已經在沒日沒夜地工作，嘗試重複這個結果了。一切歸根結底要靠事實説話。
下一個問題是，如果這個結果是真的，就會怎麼樣？我們的生活會發生天翻地覆的變化嗎？
答案很奇妙。假如它是真的，那麼它肯定對超導的研究會有巨大的推動。然而要反映到日常生活，卻還有相當遙遠的距離。
這是因為，超導的應用需要很多條件，遠不只是轉變温度這一個。在這裏，人人都能看出一萬個大氣壓對應用仍然是個不小的障礙。雖然這個壓強對實驗室來説不算高，但對應用來説就算高了。
此外，還有不那麼顯而易見的限制，如臨界電流密度和臨界磁場。超導體的電阻為0有個前提，就是電流不能太大，外加磁場也不能太大，否則它又變成普通物質了。有些材料看似有比較高的超導轉變温度，但它的臨界電流密度和臨界磁場實在太低，因此仍然不堪大用。這就好比高考是要看多門課的總分，如果你偏科太嚴重，一門滿分，其他鴨蛋，那你仍然考不上。
超導體的三個臨界參數：臨界温度、臨界磁場、臨界電流密度（羅會仟《超導“小時代”》）
即使温度、電流和磁場的性質都很好，問題還沒完，這時我們又要考慮材料製備與加工的成本了。例如有些材料是很脆的陶瓷，加工起來就很困難。即使這些成本都壓下去了，還有很多維度的問題要考慮，如它怕不怕空氣？怕不怕水？尤其重要的，它有沒有毒？一個材料要同時滿足這麼多要求，是多麼困難啊！
所以一個奇妙的現狀是，雖然我們已經發現了幾萬種超導材料，但真正最常用的還是傳統的Nb-Ti合金，它的超導轉變温度只有9 K！它之所以常用，是因為它的強度、韌性、可重複性都很好。此外還有Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等，超導轉變温度也不超過24 K。這説明，温度並不是當前最重要的瓶頸，這個產業要發展起來實在太不容易了。
最後，關於超導的原理，我可以稍微説一下：非常複雜，複雜到現在都遠沒有透徹理解。可以確認的是，超導是一種宏觀量子現象。也就是説，超導必須用量子力學才能理解，用經典力學是完全無法理解的。如果大家想了解量子力學，可以看我的科普書《量子信息簡話》。
《量子信息簡話》
我的朋友、中國科學院物理研究所研究員羅會仟博士是超導的一線研究者，2022年出版了一本科普書**《超導“小時代”》**，詳細介紹了超導的前世、今生和未來。如果大家想深入瞭解超導，歡迎來看這本書。
《超導“小時代”》
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