“烏龍”過(guò)后，室溫超導(dǎo)何時(shí)改變世界？

知平

2022年4月13日，俄羅斯在莫斯科州建設(shè)的重離子超導(dǎo)同步加速器

“常溫常壓超導(dǎo)和可控核聚變都是遙不可及的，宇宙決不允許人類近乎神靈?！边@是物理圈對(duì)這兩種能源技術(shù)的總結(jié)。

但就在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議上，一則顛覆物理學(xué)的消息被傳出—美國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)顛覆性突破。當(dāng)美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家朗加·迪亞斯宣布，其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造出在室溫條件下工作的“超導(dǎo)體”時(shí)，許多科學(xué)家瘋狂擁入會(huì)場(chǎng)，爭(zhēng)搶著來(lái)見(jiàn)證這一歷史性的時(shí)刻。

但轉(zhuǎn)折很快出現(xiàn)：在受到全球多位業(yè)內(nèi)專業(yè)人士質(zhì)疑、同等條件試驗(yàn)考查后，迪亞斯宣布，由于材料丟失了，所以試驗(yàn)的結(jié)果沒(méi)法再重現(xiàn)了。無(wú)論如何，“室溫超導(dǎo)”正在迅速走紅，甚至在近日帶動(dòng)了多支超導(dǎo)概念股漲停。人們紛紛發(fā)問(wèn)，屬于人類的室溫超導(dǎo)時(shí)代，真的會(huì)有來(lái)臨的一天嗎？

美國(guó)羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家朗加·迪亞斯

什么是超導(dǎo)？一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)在超低溫的環(huán)境下，失去電阻的特性，被稱為超導(dǎo)電性，而相應(yīng)擁有這種特性的物質(zhì)就被稱為超導(dǎo)體，或超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料最獨(dú)特的性能就是在通電時(shí)，電能在輸送的過(guò)程中損耗幾乎為零，同時(shí)可以形成強(qiáng)磁場(chǎng)。

從該特性出發(fā)，假如人類真的實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)，這將意味著什么？首先，這會(huì)掀起一場(chǎng)史無(wú)前例的技術(shù)革命：超導(dǎo)體的電阻一旦為零，意味著人類電網(wǎng)電力傳輸不再會(huì)有損耗，所有工業(yè)變速裝置都可以停用，磁懸浮車滿天飛；各種電機(jī)效率直接飆升，電子設(shè)備CPU性能猛進(jìn)；所有電子產(chǎn)品都能微型化，一切有關(guān)電和磁的技術(shù)都會(huì)得到突飛猛進(jìn)。

超導(dǎo)體的電阻一旦為零，意味著人類電網(wǎng)電力傳輸不再會(huì)有損耗。

人類從第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象至今，已經(jīng)過(guò)去了100多年。我們能在一些特殊條件下應(yīng)用超導(dǎo)體，但想要在常溫常壓條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這幾乎是不可能的事，因?yàn)榈厍蛏蠜](méi)有現(xiàn)存的物質(zhì)作為超導(dǎo)材料。而這次美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的突破，就在于其聲稱，研究出來(lái)的新材料能在常溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

根據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)是將氫、氮和镥混合后，放入一個(gè)叫作金剛石壓砧的裝置中，然后將壓力增加到了10千巴（大約是大氣壓的1萬(wàn)倍），最終合成了超導(dǎo)材料，然后在21攝氏度的室溫條件下，將這種材料通電，測(cè)得的電阻為零。

美國(guó)這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，關(guān)鍵突破點(diǎn)在于，找到了室溫下實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗導(dǎo)電的材料。這樣看起來(lái)簡(jiǎn)單的溫度突破，弄得物理學(xué)界各個(gè)大佬連夜探究真假，但事實(shí)上，真的有傳得那么神乎其神嗎？

其實(shí)，迪亞斯剛宣布試驗(yàn)結(jié)果，就引起了不少爭(zhēng)議。這其中關(guān)鍵之一在于，他不僅有“造假”前科，而且這也不是其第一次發(fā)表有關(guān)超導(dǎo)現(xiàn)象的言論。早在2017年他在哈佛擔(dān)任博士后的時(shí)候，他就曾在495GPa的高壓條件下實(shí)現(xiàn)了金屬氫，也引起了非常大的轟動(dòng)。

要知道，氫一般以氫氣這種氣體形式存在，但制備成金屬狀態(tài)后，它不僅能作為人類最強(qiáng)的火箭推進(jìn)劑，而且能制作成高能炸藥，實(shí)現(xiàn)核聚變。金屬氫還是一種超導(dǎo)材料，輸電效率可以達(dá)到99.7%。

但是，金屬氫的制備條件非常嚴(yán)苛和極端—在迪亞斯宣布帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究成功后，該團(tuán)隊(duì)又對(duì)外宣稱，因操作失誤導(dǎo)致金屬氫消失了，再想重復(fù)步驟搞金屬氫，卻搞不出來(lái)了，所以引起了不少同行的懷疑。

后來(lái)，迪亞斯入職羅切斯特大學(xué)后，在2020年成功在《自然》雜志上刊登了一篇室溫超導(dǎo)的論文，文中直言“這是人類首次實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)”，又引起了物理學(xué)界的轟動(dòng)。

低溫物理學(xué)奠基人卡麥林

結(jié)果，戲劇性一幕來(lái)了：論文一經(jīng)發(fā)布，質(zhì)疑聲不斷，很多實(shí)驗(yàn)室課題組根據(jù)論文，根本就不能重復(fù)室溫超導(dǎo)現(xiàn)象，而且，有人還證明了有關(guān)數(shù)據(jù)存在捏造嫌疑。隨著質(zhì)疑聲浪一陣接著一陣，《自然》雜志最后直接將他的爭(zhēng)議論文撤稿了。

有了以上兩次事件的折騰，當(dāng)3月份這次超導(dǎo)突破消息出來(lái)時(shí)，很多人還是持有質(zhì)疑態(tài)度。

外界普遍認(rèn)為，如果迪亞斯的實(shí)驗(yàn)被公認(rèn)，那么2023年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)肯定非他莫屬了。但想要拿獎(jiǎng)，還有一個(gè)關(guān)鍵步驟要走，那就是“復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)”。

緊隨其后，各國(guó)有實(shí)力的科研團(tuán)隊(duì)和課題組馬上跟進(jìn)，在迪亞斯團(tuán)隊(duì)公布的數(shù)據(jù)條件下重復(fù)試驗(yàn)—如果能得到跟迪亞斯團(tuán)隊(duì)相同的試驗(yàn)結(jié)果，這項(xiàng)超前的物理成就才算是板上釘釘了。

但迪亞斯團(tuán)隊(duì)拒絕公開(kāi)具體的研究數(shù)據(jù)和步驟，并且，在其公布取得突破后，在短短幾天時(shí)間內(nèi)，來(lái)自中國(guó)的包括中科院物理所、南京大學(xué)在內(nèi)的幾個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，都陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)一例外對(duì)此給出了否定結(jié)論。

其實(shí)，想要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，并非只有常溫常壓條件下才行，常溫高壓和超低溫兩種情況，滿足之一也可以實(shí)現(xiàn)，但常溫常壓實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，才可以真正將其普及開(kāi)來(lái)。而迪亞斯的這次實(shí)驗(yàn)即使屬實(shí)，也只是在常溫高壓條件下實(shí)現(xiàn)的，只不過(guò)大氣壓降到了1萬(wàn)個(gè)大氣壓—想要實(shí)現(xiàn)這1萬(wàn)個(gè)大氣壓，也是非常困難的，盡管和將溫度降到零下200攝氏度相比，要更加容易和便宜。

在各種常溫超導(dǎo)消息刷屏的時(shí)候，還有聲音傳出來(lái)稱，“美國(guó)的室溫超導(dǎo)技術(shù)將拉開(kāi)中國(guó)跟世界上百年的差距”—這屬于夸大其詞：如果是常溫常壓，倒是有可能；但這次實(shí)驗(yàn)雖然是在常溫環(huán)境下，但卻是在模擬極高壓強(qiáng)情況下實(shí)現(xiàn)的，即使能夠證實(shí)，也會(huì)停留在實(shí)驗(yàn)室一段時(shí)間，離產(chǎn)業(yè)規(guī)?；杂泻荛L(zhǎng)一段距離。

1911年，荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室的卡麥林將汞周圍溫度降至零下268攝氏度左右，發(fā)現(xiàn)汞的電阻完全消失，這個(gè)溫度就是汞成為超導(dǎo)體的臨界溫度。

上百年過(guò)去了，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬(wàn)種超導(dǎo)體，它們大體上可分為兩類：臨界溫度低于零下248攝氏度的低溫超導(dǎo)體，和臨界溫度高于零下243度的高溫超導(dǎo)體。

低溫超導(dǎo)體主要包括NbTi、Nb3Sn和Nb3Al等，制備工藝在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)趨于成熟，像加速器磁體、核聚變超導(dǎo)磁體、核磁共振磁體等，都要用到。低溫超導(dǎo)體在核聚變實(shí)驗(yàn)中用得比較多，目前全球多國(guó)合作的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER計(jì)劃，中國(guó)在2006年就加入了。這是中國(guó)低溫超導(dǎo)材料發(fā)展的一次機(jī)遇，也為我國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）、超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）和自主開(kāi)發(fā)醫(yī)療核磁共振（MRI）打下了基礎(chǔ)。

在民用領(lǐng)域?qū)嵱脙r(jià)值相對(duì)較高的高溫超導(dǎo)體，總結(jié)來(lái)說(shuō)經(jīng)歷了以鉍系為主的第一代高溫超導(dǎo)材料、以釔系為主的第二代高溫超導(dǎo)材料，而在進(jìn)入21世紀(jì)后，鐵基超導(dǎo)材料開(kāi)始成為新一代具有實(shí)際應(yīng)用潛力的超導(dǎo)體。

2008年，東京工業(yè)大學(xué)首次報(bào)道了臨界溫度較高的鐵基超導(dǎo)體，引發(fā)了物理學(xué)界的強(qiáng)烈關(guān)注。這則消息很快被中國(guó)科學(xué)家抓住并利用起來(lái)，成就了中國(guó)超導(dǎo)體研究的騰飛。

在超導(dǎo)體研究這一塊，中國(guó)在全球?qū)儆陧敿馑?。目前，中?guó)的科研人員在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域有兩次著名的重大突破：一次是上世紀(jì)80年代，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)銅氧化物高溫超導(dǎo)體；另一次是發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在50K（約為零下223攝氏度）以上的鐵基高溫超導(dǎo)體，兩次發(fā)現(xiàn)都獲得了國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

這兩次突破，都是中科院院士趙忠賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)搞的。其實(shí)，國(guó)內(nèi)超導(dǎo)剛起步時(shí)，已經(jīng)落后國(guó)外近半個(gè)世紀(jì)，正是趙忠賢團(tuán)隊(duì)搞出了銅氧化物超導(dǎo)體，才抓住了超導(dǎo)研究的尾巴。

在進(jìn)入1990年代后，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)銅氧化物探索超導(dǎo)，已經(jīng)遇到瓶頸—正是2008年日本鐵基超導(dǎo)消息傳出后，國(guó)內(nèi)中科大團(tuán)隊(duì)成功證明鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體，4天后，趙忠賢團(tuán)隊(duì)利用輕稀土元素替代和高溫高壓，成功實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)體，直接在全球掀起了高溫超導(dǎo)研究的第二個(gè)熱潮，將中國(guó)超導(dǎo)研究拉到了國(guó)際前沿?！犊茖W(xué)》雜志更是直言：“新超導(dǎo)體將中國(guó)物理學(xué)家推到前沿，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó)。”

2018年，中國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域還出了一個(gè)天才少年曹原。當(dāng)時(shí)，21歲的曹原連續(xù)在《自然》雜志上成功刊登了兩篇文章，論證了雙層石墨烯在特定情況下，會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象，又開(kāi)辟了超導(dǎo)研究的新方向。

超導(dǎo)材料和核聚變密不可分。常溫常壓超導(dǎo)材料的重大突破，很可能是第四次工業(yè)革命的開(kāi)始。在全球能源愈發(fā)短缺的時(shí)代，這將是全球科學(xué)界攻堅(jiān)的重點(diǎn)。

2016年5月26日，成都，全球首個(gè)真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮車試驗(yàn)平臺(tái)

2022年8月27日，合肥，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置

2022年7月22日，浙江大學(xué)“太元一號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算云平臺(tái)

在未來(lái)，由于MRI、MCZ（磁控直拉技術(shù)）、加速器、受控?zé)岷司圩兊葢?yīng)用的跨階式增長(zhǎng)，對(duì)低溫超導(dǎo)材料的需求將會(huì)極大增加。

具體來(lái)看，短期階段內(nèi)，醫(yī)用領(lǐng)域磁共振成像儀應(yīng)用低溫超導(dǎo)線材的需求，將會(huì)有極大增長(zhǎng)；中期階段來(lái)看，大尺寸半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的技術(shù)迭代升級(jí)，將加速國(guó)產(chǎn)化替代，并拉動(dòng)MCZ市場(chǎng)的發(fā)展，重離子加速器項(xiàng)目等國(guó)家重點(diǎn)工程也會(huì)拉動(dòng)低溫超導(dǎo)材料的需求；而長(zhǎng)期來(lái)看，受控核聚變以及超導(dǎo)磁懸浮等項(xiàng)目的突破，將是新低溫超導(dǎo)材料被發(fā)掘的機(jī)遇所在。

迪亞斯的這次實(shí)驗(yàn)即使屬實(shí)，也只是在常溫高壓條件下實(shí)現(xiàn)的。

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，對(duì)高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，充滿了“叛逆”：當(dāng)物理學(xué)界都聚焦在金屬合金體系中，去尋找新超導(dǎo)體時(shí)，關(guān)于銅氧化物和陶瓷高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，明顯與主流學(xué)識(shí)相悖離；后來(lái)，當(dāng)物理學(xué)界又認(rèn)為磁性和超導(dǎo)是一對(duì)矛盾體時(shí)，含有磁性材料鐵的鐵基超導(dǎo)材料，又成為第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體家族。

而在未來(lái)，我們?cè)趯ふ屹N近室溫、高臨界溫度的高溫超導(dǎo)體，來(lái)作為物理學(xué)界突破的重點(diǎn)時(shí)，也應(yīng)該有意識(shí)去思考，第三代高溫超導(dǎo)材料會(huì)不會(huì)也有悖于我們過(guò)往的猜測(cè)？因循這樣的思路，若要問(wèn)超導(dǎo)材料的終極未來(lái)是什么，那就是發(fā)現(xiàn)常溫常壓超導(dǎo)材料的合成路徑—這可能很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)，又或者需要100年？

責(zé)任編輯吳陽(yáng)煜 wyy@nfcmag.com