室溫超導(dǎo)“再現(xiàn)”，工業(yè)革命來了？

彭丹妮

蘭加·迪亞斯演示的一次實驗中，一塊磁鐵漂浮在液氮冷卻的超導(dǎo)體上。圖/羅徹斯特大學(xué)

當(dāng)?shù)貢r間3月7日，在美國拉斯韋加斯舉行的美國物理學(xué)會年度會議有著不一般的熱鬧場面。原本只能容納不到100人的小會場，自一個有關(guān)室溫超導(dǎo)的報告開始后不久，一度被擠得水泄不通。

來自美國羅徹斯特大學(xué)的助理教授蘭加·迪亞斯等宣稱，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一種由氫、氮和一種名為镥的稀土元素混合制成的材料，可以在21℃和大約1GPa（約等于一萬個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的壓力下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)電性。

這一會議后，連續(xù)幾天，上海超導(dǎo)公司總工程師朱佳敏接到了非常多電話，很多人來問他，怎么看待這一結(jié)果。他有些驚訝，為何這件事如此出圈？

超導(dǎo)體的一個特性是“零電阻”，亦即電流通過時，沒有因為受到任何阻力而導(dǎo)致?lián)p失，因此，這是一種革命性的材料。多年來，尋找一種無需極低溫或者極高壓就可以使用的超導(dǎo)體是超導(dǎo)界的一大夢想，很多業(yè)內(nèi)人士相信，這將開啟新的工業(yè)革命。

不過，業(yè)內(nèi)人士們對此要冷靜得多。這已是迪亞斯等人第二次宣布實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，去年，其上一次的發(fā)現(xiàn)因數(shù)據(jù)原因被《自然》雜志撤稿。因此，這一最新成果的真實性有待確認(rèn)。

當(dāng)?shù)貢r間3月9日，《物理評論快報》開始對迪亞斯團(tuán)隊2021年6月發(fā)表在該期刊的一篇論文展開調(diào)查。與此同時，美國佛羅里達(dá)大學(xué)高壓實驗方面的專家詹姆斯·哈姆林發(fā)現(xiàn)，迪亞斯2013年完成的博士論文與自己2007年的博士論文有諸多相同段落。對此，羅徹斯特大學(xué)在一份聲明中稱，迪亞斯會對這些錯誤承擔(dān)責(zé)任，并且正在與他的博士導(dǎo)師合作修改這篇論文。

3月8日，迪亞斯等人的研究在線發(fā)布于《自然》雜志。根據(jù)論文描述，他們在金剛石之間放置了一個直徑為100微米的镥箔，然后泵入一種含有99％氫氣和1％氮氣的混合氣體，并將壓力加至2GPa。樣品在65℃的烘箱中加熱，24小時后釋放壓力，得到了一種在正常條件下呈藍(lán)色的材料。

他們發(fā)現(xiàn)，該材料在0.3GPa時會變成粉紅色，同時開始具有超導(dǎo)性；繼續(xù)加壓力到1GPa時，材料超導(dǎo)溫度最高在21℃；當(dāng)樣品壓力達(dá)到3.2GPa時，材料呈鮮紅色，超導(dǎo)可能消失。

通常，電流穿過電線時會遇到阻力，一些能量會以熱量形式損失掉。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，對金屬導(dǎo)體而言，當(dāng)電流通過時，溫度越高電阻越大。自然而然，人們開始思考，如果溫度能達(dá)到絕對零度，是不是電流的電阻會變成零。

上世紀(jì)初，最后一個沒被液化的氣體——氦氣終于成功液化，可用于制冷。1911年，荷蘭科學(xué)家海克·昂內(nèi)斯等人發(fā)現(xiàn)汞在4.2K、-269℃附近低溫下，電阻似乎神奇消失。K是“開爾文”的簡稱，是熱力學(xué)溫標(biāo)或稱絕對溫標(biāo)，每變化1K相當(dāng)于變化1℃，但開爾文以絕對零度作為計算起點，即-273.15 ℃等于0 K。

超導(dǎo)材料因其絕對零電阻和完美抗磁特性等性質(zhì)，幾乎在所有電和磁相關(guān)的領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用價值。比如，現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù)，通過提高輸電線電壓，盡可能降低能量損耗。中科院物理研究所研究員羅會仟對《中國新聞周刊》指出，如果使用超導(dǎo)輸電，可以把目前高壓交流輸電技術(shù)中15％左右的損耗降低到1％以下。

另一方面，因為磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度正相關(guān)，因此，如果利用電流量很大的超導(dǎo)體做線材，能獲得強(qiáng)大的外部磁場。比如，醫(yī)院用于核磁共振成像的醫(yī)療設(shè)備，采用了超導(dǎo)體以獲得強(qiáng)大磁性。高速磁懸浮列車也需要借助超導(dǎo)材料。

過去100多年里，各類超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn)，目前已知的超導(dǎo)材料有成千上萬種。不過，朱佳敏說，真正實用化的超導(dǎo)材料非常少，主要分為鈮系合金為主的低溫超導(dǎo)和釔鋇銅氧為主的高溫超導(dǎo)材料。

室溫超導(dǎo)為何仍被寄予厚望？這是因為盡管超導(dǎo)材料展現(xiàn)了其在能源、交通等領(lǐng)域的廣闊前景，但低溫卻限制了它的應(yīng)用。

所謂高溫超導(dǎo)材料，并不是人們想象的比如100℃或者200℃。如果在40K以下，約-233.15℃下才能達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，且一般要在液氦制冷系統(tǒng)下工作的超導(dǎo)體，叫做低溫超導(dǎo)；相比下，如果能夠在40 K以上出現(xiàn)超導(dǎo)電性，就被稱為高溫超導(dǎo)，許多高溫超導(dǎo)體甚至能超過液氮沸點（約-196 ℃）。

超導(dǎo)材料的眾多應(yīng)用前景中，最被寄予厚望的是推動可控核聚變反應(yīng)堆的發(fā)展。2007年，中、印、日、韓、美、俄及歐盟7個成員發(fā)表了一份聯(lián)合宣言，決定在法國建造全世界最大的國際熱核聚變實驗堆（ITER），從工程角度探討建造商業(yè)核聚變發(fā)電站的可行性。

星環(huán)聚能成立于2021年，是一家核聚變領(lǐng)域的初創(chuàng)公司。創(chuàng)始人陳銳告訴《中國新聞周刊》，這一大裝置使用的還是最早的低溫超導(dǎo)體材料，必須用到昂貴、大型的液氦冷卻系統(tǒng)，ITER這一大型工程投入上千億元人民幣。ITER項目2008年開建，計劃2025年建成。近幾年，隨著高溫超導(dǎo)等新材料的工業(yè)化生產(chǎn)變得成熟，使得相對較小體積、幾億元成本建造核聚變探索裝置變得可行，極大加速了這一領(lǐng)域的商業(yè)化。

星環(huán)聚能目前使用的超導(dǎo)帶材達(dá)到超導(dǎo)的臨界條件是77K，但在可控核聚變環(huán)境中使用時，實際溫區(qū)是20K，大約是-250℃。雖然已屬于高溫超導(dǎo)體，但陳銳說，這依然是很低的溫度，需要一套昂貴的低溫系統(tǒng)。如果未來真能夠?qū)崿F(xiàn)室溫超導(dǎo)，顯然會極大降低可控聚變的研發(fā)及設(shè)計成本，也會縮短完成這一事項的時間。

在物理學(xué)界，一般室溫嚴(yán)格定義為300K，約相當(dāng)于27 ℃。盡管迪亞斯等人的研究還不是嚴(yán)格意義上的“室溫”，但這種超導(dǎo)體的臨界溫度，已經(jīng)是在如此低的壓力下的最高紀(jì)錄。此前使用類似材料所進(jìn)行的實驗，所需的壓力在數(shù)百萬個大氣壓，迪亞斯團(tuán)隊報道的新材料所需壓力要低得多。

“結(jié)合我們在碳硫氫化物中發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)性表明，三種元素或更多元素的體系可能是實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)變溫度和在室溫條件下實現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵?！毖葜v中，迪亞斯表示，有了這些材料，接近環(huán)境壓強(qiáng)超導(dǎo)和技術(shù)應(yīng)用的黎明已經(jīng)到來。

這些年來，超導(dǎo)物理學(xué)界一直在嘗試突破超導(dǎo)體的臨界溫度。但是，當(dāng)問及業(yè)內(nèi)人士，看到這一進(jìn)展第一反應(yīng)是什么時，他們并不是感慨成果本身，而是懷疑，“憑什么又是他們？”

尋找室溫超導(dǎo)非常困難，迪亞斯團(tuán)隊卻一次次帶來“驚喜”的成果，而且成果一次比一次更轟動。

1986年，整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域發(fā)生了一次“大地震”，一種鋇鑭銅氧化物在30 K，約-243℃左右的臨界溫度中被發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，兩名瑞士科學(xué)家因此獲得了1987年諾貝爾物理學(xué)獎。之后，多國科學(xué)家們通過大量實驗研究，對銅氧化物的超導(dǎo)電性有了更多認(rèn)識，也掀起全球高溫超導(dǎo)研究的熱潮。1986年～1987年的短短一年多里，臨界超導(dǎo)溫度提高近100K。

但是，科學(xué)家們至今仍沒有找到一種真正的室溫超導(dǎo)體。目前研究發(fā)現(xiàn)，提高超導(dǎo)體臨界溫度，最好的路徑就是從高壓著手?！霸诟邏合聦ふ乙粋€材料更高的臨界溫度，是一個比較成熟的研究體系了。每次去參加超導(dǎo)會議都有相關(guān)的報告。”朱佳敏說。

解釋超導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)理論早就預(yù)測，如果氫元素能被足夠強(qiáng)力擠壓形成金屬氫，這種物質(zhì)就極可能是室溫超導(dǎo)體，但前提是要在百萬級大氣壓的極端高壓下合成。

羅會仟告訴《中國新聞周刊》，如此高的壓力，需要借助世界上最硬的物質(zhì)——金剛石來實現(xiàn)，一對磨平端面的金剛石形成一種高壓裝置后，對氫加壓。不過，氫本身十分活潑、易燃易爆，而且在高壓下，滲入氫元素，會導(dǎo)致金剛石硬度突然降低而碎裂，發(fā)生 “氫脆” 現(xiàn)象，種種原因使得這一路徑十分艱難。

“（金屬氫）大家前前后后找了80年，都一直沒有成功?！绷_會仟說。就在這個時候，2017年，當(dāng)時剛剛從哈佛大學(xué)博士后畢業(yè)的迪亞斯與他的導(dǎo)師等人宣布在495GPa下找到了金屬氫，論文發(fā)表在《科學(xué)》期刊。學(xué)界還未等到他們檢測這一材料的超導(dǎo)性，該團(tuán)隊卻表示實驗過程中不小心破壞了樣品，金屬氫是否真的找到了、能否實現(xiàn)室溫超導(dǎo)成了一個謎團(tuán)。

另一邊，物理學(xué)家們開始嘗試另一種思路，從二元氫化物著手，試圖通過元素間的化學(xué)鍵來產(chǎn)生足夠大的化學(xué)壓力，以接近金屬氫的特性。2015年，德國馬普研究所兩位科學(xué)家報告了第一個超導(dǎo)氫化物：氫和硫的混合物，在巨大壓力及203K，約-70℃的臨界溫度下，電阻急劇下降。

這帶動了一波新的超導(dǎo)研究熱，人們開始摸索各種元素與氫的可能組合。羅會仟說，近年來，隨著結(jié)構(gòu)搜索軟件等計算機(jī)輔助工具的出現(xiàn)，每年學(xué)界大約都會報道發(fā)現(xiàn)了高壓下的超導(dǎo)體，有的臨界超導(dǎo)溫度能達(dá)到200K以上。但是高壓使得實驗并不好做，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量普遍都比較差。

就在這一當(dāng)口，2020年10月，《自然》以封面論文的形式，高調(diào)宣布人類首次實現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”的突破性研究成果。論文通訊作者正是蘭加·迪亞斯，他當(dāng)時已在美國羅切斯特大學(xué)任助理教授。論文標(biāo)題為《碳硫氫化物的室溫超導(dǎo)性》。論文稱，他們創(chuàng)造出一種碳硫氫化合物固體材料，這種材料在溫度約15℃和約267GPa的壓強(qiáng)下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這是超導(dǎo)材料的臨界溫度首次突破到0℃以上。

2020年末，《科學(xué)》雜志評選了“年度十大科學(xué)突破”， 迪亞斯的“室溫超導(dǎo)”研究入選。該期刊當(dāng)時寫道，“科學(xué)家們花了幾十年的時間尋找在室溫下無電阻導(dǎo)電的材料，今年他們發(fā)現(xiàn)了首個實現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，這是在接近地球中心壓力的條件下，產(chǎn)生的一種含氫和碳的化合物。”

然而，過于“漂亮”的論文數(shù)據(jù)引發(fā)了業(yè)內(nèi)諸多質(zhì)疑。而且，本身在二元氫化物中尋找室溫超導(dǎo)就已很難了，迪亞斯團(tuán)隊報道的還是一個三元氫化物。

此后兩年，諸多研究團(tuán)隊試圖重復(fù)迪亞斯團(tuán)隊的研究結(jié)果，無一成功；一些科學(xué)家一直在以實驗結(jié)果、調(diào)查等形式質(zhì)疑這一研究成果。2022年9月，《自然》雜志不顧作者們的反對，撤回這一文章。

如今，迪亞斯團(tuán)隊就像變魔術(shù)般，又帶來了指標(biāo)看上去更好的“室溫超導(dǎo)”材料。因此，在談?wù)撈淇茖W(xué)價值和社會意義之前，先要確定這個新材料的可復(fù)制性。

一些科學(xué)家已經(jīng)指出了一些疑點。比如，中國科學(xué)院物理研究所研究員孫力玲在接受媒體采訪時談到，迪亞斯報告中給出的樣品照片的顏色為藍(lán)色，與通常看到的超導(dǎo)體的黑色和褐色等完全不同。

羅會仟說，在這篇論文中，團(tuán)隊給出了更加全面的數(shù)據(jù)、大致的化學(xué)組分和制備過程等信息，而且所需的壓力也比上一次小很多，其他同行應(yīng)該能很快地對這一研究進(jìn)行驗證。

實驗室中的蘭加·迪亞斯。圖/羅徹斯特大學(xué)

上海超導(dǎo)科技公司是國內(nèi)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)， 其超導(dǎo)帶材在國內(nèi)市場占有率超過80％?？偣こ處熤旒衙舾嬖V《中國新聞周刊》，他經(jīng)常去參加一些展會，比起關(guān)心材料本身，前來詢問的公眾最關(guān)心的，是超導(dǎo)材料的溫度提高到了多少。但從應(yīng)用角度來說，業(yè)內(nèi)人士關(guān)心的，遠(yuǎn)不只是溫度。

考慮一個超導(dǎo)材料的應(yīng)用價值，光是溫度這一指標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。超導(dǎo)帶材的電學(xué)性能、力學(xué)性能、磁場下性能都要考慮，比如，以載流性能來說，一根長條狀的超導(dǎo)線到底能載流1安培、10安培、100安培還是1000安培，區(qū)別很大。如果單根帶材承載電流很小，普通銅絲電線就可以做到，何必用超導(dǎo)材料？他說，即便這些物理學(xué)指標(biāo)都比較合適，如果成本太高，也很難將其推向應(yīng)用。

以上海超導(dǎo)公司生產(chǎn)的高溫超導(dǎo)帶材為例。中國科學(xué)家1987年在釔鋇銅氧體系材料上將臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，但是，作為陶瓷類材料的銅氧化物十分脆弱，力學(xué)機(jī)械性能很差。

為此，科學(xué)界和工業(yè)界努力了近30年，一直到2011年，上海交通大學(xué)的實驗室里面，才做出中國第一根百米級的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)帶材。之后，致力將這一成果產(chǎn)業(yè)化的上海超導(dǎo)公司，又用了近10年，才成功實現(xiàn)了量產(chǎn)，如今已應(yīng)用在電力、能源、交通、醫(yī)療裝置等很多領(lǐng)域。

對于蘭加·迪亞斯團(tuán)隊的最新研究，朱佳敏說，即便最后驗證為真，它離應(yīng)用依然非常遙遠(yuǎn)。雖然“室溫超導(dǎo)”的標(biāo)題讓這個成果占據(jù)媒體頭條，然而，該超導(dǎo)材料所需的1GPa壓力仍然是一個很大的數(shù)值，大約是地球目前已知最深海溝——馬里亞納海溝最深處壓力的10倍。

實際上，比起克服極低溫，在工程上，解決高壓是更困難的事情。朱佳敏說，一種超導(dǎo)材料需要做成柔性的、連續(xù)的電線才能投入使用，如果它需要極大的壓力，很難想象接有電線的所有地方都裝上一種“高壓鍋”一樣的裝置，而且安全性也不高。陳銳也提到，比如，在核聚變裝置中，如果要對每個磁體的每個部分都施加1萬個大氣壓，基本不太可能做到。

此外，镥是一種銀白色金屬，是稀土元素中最稀有的一種。一個很現(xiàn)實的挑戰(zhàn)是，這種金屬在地球上儲藏量是非常有限的。目前，镥元素僅在極少數(shù)材料領(lǐng)域被應(yīng)用，暫時還沒有短缺問題，一旦需要大規(guī)模用于合成室溫超導(dǎo)材料，其自然儲量將會是最難突破的瓶頸。

“如果真正研發(fā)出了室溫常壓超導(dǎo)體，這個時候全人類歡呼那是應(yīng)該的，因為那的確就改變世界了?！敝旒衙粽f。那時，世界可能會如同劉慈欣在《三體》中描寫的，核聚變成功了，由于能源基本沒有限制，電力開始免費使用；各種交通工具都基于磁懸浮技術(shù)，但此刻顯然不是。

如果此次發(fā)現(xiàn)最終能被重復(fù)出來，驗證為真，從基礎(chǔ)物理學(xué)的角度，中科院物理研究所研究員羅會仟在接受《中國新聞周刊》采訪中表示，理論上也并沒有太多新機(jī)理，其解釋還是在傳統(tǒng)的理論框架下，剩下的挑戰(zhàn)在于如何將材料從實驗室?guī)У浆F(xiàn)實。

“新聞都關(guān)心超導(dǎo)體的溫度又提升到多少度，因為溫度是大家最能夠理解的概念?！绷_會仟說，但對超導(dǎo)物理學(xué)家來說，找到更好的超導(dǎo)材料固然重要，但是，他們更關(guān)心一些不尋常的材料是否帶來了無法解釋的新現(xiàn)象，甚至激發(fā)新理論的誕生，只有這樣，才能帶來真正有重大價值的科學(xué)研究。

（實習(xí)生李金津?qū)Ρ疚囊嘤胸暙I(xiàn)）