轰动科学界的“室温超导”有多牛？

近日，位于拉斯维加斯的一个会议报告厅里挤满了物理学家，在报告厅外还有一大群学者蜂拥而至，现场保安只好不断维持秩序，驱散人群。

他们在围观什么呢？

会上美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队宣布：他们已经创造出一种可在室温（room temperature）和相对较低压力条件下工作的超导体。

报告现场（图片来源：网络）

他们提出的超导体是由氢、氮和镥组成的材料。Dias和他的同事们将这些元素混合在被称为金刚石压砧（diamond anvil cell）的装置中，改变压力并测量化合物中的电流阻力。令人惊讶的是，在约21摄氏度的温度条件下，这种材料似乎失去了任何对电流的阻力。虽然实现超导仍然需要10千巴的压力，这大约是大气层压力的1万倍。但这已远远低于室温超导体通常所需的数百万个大气压。如果这项研究结果得到证实，那么这种材料将更有希望应用于现实世界。

此次关于常温超导材料的发现一经宣布便在科研界甚至是整个社会引起了滔天巨浪。

那么究竟什么是超导材料呢？室温超导材料的发现又意味着什么？

什么是超导体

在科幻电影《阿凡达》里，人们为了开发潘多拉星球上的宝贵资源，不惜一切代价大老远跑到外星球去，究竟挖什么宝贝呢？电影里揭秘它是一种地球上没有的神奇室温超导矿石。这室温超导体具有异常强大的力量，以至于依赖潘多拉星磁场就足以悬浮起含有这类矿石的一座座“哈利路亚”大山，其经济价值无可估量。

科幻电影《阿凡达》里的室温超导体“Unobtanium”

1908年荷兰物理学家昂内斯在制取液氦成功之后，成功将汞降温至4.15K（即零下269摄氏度）并发现超低温下汞材料的电阻降低为零。昂内斯将该现象称为超导现象，并因此获得1913年诺贝尔物理学奖。

超导体导电能力有多强？在一般情况下，当电流流过一种导体材料时，这种流动总会受到阻力。电子会撞到原子，即所谓的电阻，因此在这个过程中会造成一定的能量损失。但在超导状态下电子可以直接流过材料，就好像没有任何原子会和电子相撞一样。

据了解，在一定温度（定义为超导临界温度）之下，超导体电阻为零。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来，但是精确实验表明，超导材料的电阻率要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等要整整低了10个数量级。

这意味着，在闭合超导线圈中感应出1A的电流，需要近一千亿年才能衰减掉，比我们宇宙的年龄138亿年还要长。因此，我们有充分的理由认为超导态下电阻为零。

形成神奇的零电阻态的同时，超导体还“修炼”成了另一种神奇的“金钟罩铁布衫之功”——可以把体内的所有磁力线排出外面，体内的磁感应强度也为零。超导体具有“完全抗磁性”，该效应于1933年被德国科学家沃尔特·迈斯纳发现，又被称为“迈斯纳效应”。

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料，才能从科学意义上称之为超导材料。

小知识补充

零电阻特性，即当导体材料周围的温度下降到某一特定值时，材料的直流电阻降为零的情况。

完全抗磁性，又称迈斯纳效应。即具有将磁场完全排出超导体外的能力，若把超导体放在磁铁上面，因为磁场不能进入超导体内部，就会出现超导体悬浮在磁铁上方的现象。

超导有什么用？

凡是用得上电的地方，都有超导的用武之地。

超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗，超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势。

欧洲大型强子对撞机上的9300多个超导磁体，就是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常规磁悬浮技术相比，超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全，是未来交通工具的重要明星之一。

超导还具有许多复杂有趣的微观量子效应，利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪，对外磁场感应极其敏感，是目前世界上最灵敏的磁测量仪器。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特，是未来量子计算中最重要的量子单元，基于量子力学原理实现的高性能计算，将掀起一场新的信息革命。

超导材料阻抗性能好，利用超导体替换常规金属做微波器件，具有信噪比高、带边抑制明显、带宽控制灵活等多个优势。也许您使用的智能手机，其通讯基站就用到了超导滤波器，这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通讯、航空航天等领域大有所用。

按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导和高温超导材料。目前低温超导的下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度(约4.2K，相当于-268.8°C)。在相当长的时期内，低温超导材料仍是最主要的超导产业支柱性材料。但现有的超导材料大都需要在极低温下才能工作，这大大限制了它们的大规模应用。因此研发出一种室温超导材料一直是全球物理学界寻求突破的方向。

超导体（图片来源：wiki）

为何全球都在热议这项研究？

实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境。这导致超导应用的成本急剧增加，维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值。寻找更高临界温度，特别是液氮温区(77K)以上的可实用化超导材料，成为材料探索的重要目标。

1986年，瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35K的超导。在中美等国科学家的推动下，该记录在五年内不断刷新，于1994年左右创造了常压下135K、高压下164K的临界温度新记录。然而，铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷，缺乏柔韧性和延展性，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热，应用起来存在许多技术难度。而且，其物理性质极其复杂，难以被现有理论框架解释。寻找新型的高温超导体，势在必行。

2008年2月23日，日本科学家报道了铁砷化物体系中存在26K的超导电性。在中国科学家的努力下，这类材料的超导临界温度很快就突破了40K，在块体材料中实现了55K的高温超导电性。新一代高温超导家族——铁基超导就此宣告发现。只是这类超导体大都含砷或碱金属，不仅有毒而且对空气敏感，应用方面同样存在不少局限性。

尽管人们在单质金属、合金、氧化物、甚至有机物中都发现了超导电性，人们一直渴望寻找到室温下的实用超导体。关于室温超导的梦想，一直没有间断过。美国、中国、日本等国科学家都曾先后立项探索室温超导体，日本更是提出了寻找400K以上超导体的远景目标。

如果室温超导成真，那么这项技术的发展将对许多领域产生影响，从电力运输和储存、医学成像到高速列车、航天航空和计算机等都将取得突破性扩展，这些都将对我们的现实生活产生颠覆性的影响。

据3月9日中科院物理所凝聚态实验室和松山湖材料实验室已在全球权威的预印本网站（arXiv）上发表的验证结果表明：Dias团队的镥-氮-氢材料既不室温也不近常压，其超导温度是零下202摄氏度，还低于在液氮温度下高温超导所要求的温度，检验出的超导压力是218Gpa，与Dias及其团队在会上发布的1Gpa相差甚远。

此次关于常温超导发现存在的争议也开始陆续得到验证，相关争议即将落下帷幕，但是科学的脚步从未停歇，关于常温超导的未来也存在无限可能。

来源 | 新华社 科技日报 科学大院 中科院物理所 南方日报 界面新闻 每日经济新闻 科技每日推送 arXiv网

编辑 | 卓映紫 陈尧

审核 | 刘肖勇