专访超导研究“国家队”：找到室温超导，科技革命就会降临吗？

作为中国高温超导研究奠基人之一，中科院院士赵忠贤曾带领团队取得了独立发现液氮温区氧化物超导体、以及发现临界温度可达55K的系列铁基超导体等科学突破，促进了全球高临界温度超导体的研究。10月28日，赵忠贤在2023腾讯科学WE大会上发表了一场演讲，系统性地介绍了超导体的特性及研究价值。他表示：“持续提高超导体临界温度、探索更适于应用的超导体材料和新工艺，将会对人类生产生活带来深刻变革。”

可以说，室温超导领域的每一次突破，都吸引了众人的眼球。从2023年3月美国罗彻斯特大学团队宣称镥-氮-氢系材料可在21摄氏度、1万个大气压下实现超导，到5个月后韩国科研团队报道的铜掺杂铅磷灰石材料具有“常压室温超导”，这两项报道都引发了大量关注。然而，随之而来的同行实验却无法重复出来超导电性的结果，上述两项成果也均被发现存在数据处理错误或测量错误。

对于室温超导，人类依旧有着诸多问号。室温超导到底有何用？为何室温超导依旧没能商业化？室温超导该朝向哪里发展？接下来，让我们听听赵忠贤院士领衔的中国科学院物理研究所超导国家重点实验室的罗会仟研究员是如何看待上述问题的。

图 | 罗会仟（来源：资料图）

假如找到室温超导，科技革命真的会降临吗？

证明一个材料超导有两个基本的条件：一是超导材料必须拥有绝对的零电阻，也就是说电流传输不存在阻力；二是超导材料必须有完全的抗磁性，而且抗磁体积是百分之百。简单来说，当材料进入超导状态，它会在内部产生一个与外界磁场相反的磁场，二者大小一样，导致内部磁感应强度为零。所谓室温超导，即材料可以在常温或室温下同时实现上述两个性质，缺一不可。在凝聚态物理学中，对于室温有着严格的定义，即300K大约27摄氏度才算是室温。

截至目前，没有任何一个课题组能做出来常压之下的室温超导体，甚至也没能做出高压之下的室温超导体。那么，找到室温超导材料以后，就会马上掀起新一轮的科技革命吗？答案是否定的。

因为，一个材料从发现到应用，需要克服许多困难。在超导的应用中，还有两个更加关键的参数：临界磁场和临界电流密度。也就是说，材料承载的磁场和电流都是有上限的。一般情况下，当超导体的临界温度很高，对应的临界电流密度可能反而变低。因此极有可能的情况是，所发现的室温超导体的临界电流密度极低无比，导致其没有强电强磁方面的应用价值。

在另外一种情况下，即使临界磁场和临界电流密度已经达到应用要求，但是假如希望材料实现大规模的应用，还需要克服其他一些问题。例如，材料的物理性质和机械性能等。经过几十年的发展，学界基本已经通过工艺优化克服了机械性能难题。但是，即便如此它的成本依旧很高，导致难以实现大规模应用。所以，即使我们真的找到一个参数合适的超导材料，它也未必能够真正实现应用。“因此，我觉得大家应该对实用化室温超导材料保持一个谨慎、乐观的态度。”罗会仟说。

理论与实验“两条腿走路”，建立物质相互作用理论框架

那么，在追寻室温超导的路上，只有实现应用才是最终目标吗？答案也是否定的。研究室温超导的过程，也是凝聚态物理科学家发现新知识的过程，这些未知的理论甚至意义更为重要。

目前，铜基和铁基超导体是研究最为成熟也是最为广泛的两类高温超导体。但是，对于铜基高温超导的微观机理人们依旧不够清楚，学界倾向于认为与材料内部的反铁磁涨落相关。

尽管高压金属氢化物超导材料已经具有比较完备的理论指导，然而基于目前的研究没有任何一个理论可以指明寻找室温超导体的可靠路径。从另一个角度来看，这也存在积极的一面，即没有任何理论可以限制我们去寻找室温超导材料。而假如真的找到一个室温超导体，它的意义在于我们有望不断突破超导材料的极限，也就是超导临界温度是没有上限的。在这种情况下，人类也会发现一系列新的物理现象，进而为寻找更多超导新材料带来启发，甚至能在其他领域发挥作用。

当找到室温超导体之后，肯定存在一套理论体系能够解释这个性质。因为一旦能够建立一个完备的理论去描述室温超导，对整个物理学的发展具有重大意义。比如，高温超导的发现距今已经将近40年，但是我们依旧还没有研究清楚高温超导理论。而一旦高温超导理论得到突破，可能会颠覆现有凝聚态物理学的研究范式。

从基础研究来看，高温超导对于基础物理的贡献十分巨大。在高温超导材料中，我们观测到的许多现象都超越了目前对于固体物理学的认知。比如强关联电子态，就是其中的一个重要观念。此前在固体物理学中，基本上面临的都是一个近自由电子的一个体系，即不太考虑电子之间的相互作用，或者认为它们之间的相互作用非常的微弱。这样的话只需要追踪某个电子受到的力和运动行为，再简化成集体运动的模型，就可以解释材料里面的导电行为，从而建立固定能带论，进而解释导电现象。

众所周知，固体能带论的成功引领了半导体工业的发展，最终改变了人类世界。然而，在超导体物理中，我们不能再做近自由电子近似，而是要考虑一个强关联电子系统。当一大群电子之间存在很强电磁相互作用的时候，将面临一个非常非常复杂的方程，这时使用传统方法根本无法解决。如能建立一个基于强关联电子体系的理论，将会推动建立物质相互作用的新理论框架，进而影响到物理学的方方面面。

因此，对于高温超导的研究不只是提高超导温度，如果我们彻底理解了高温超导的微观机理，那依然是一个“诺贝尔奖级别”的工作。

超导的产业化和未来：AI和低功耗电子器件可能是答案

那么，当下大火的AI大模型是否会给室温超导带来一定启发？对于研究室温超导而言，也需要开展材料及其机制的探索。罗会仟说：“目前，我们已经尝试用AI大模型帮助寻找各种新型超导材料。”

我们可以借助超级计算机先建立一个庞大的数据库，把材料可能的结构和物理性质提前计算出来。不过，我们更加需要建立一个真正材料数据库，即基于实际实验数据的数据库。

“这也是物理所正在做的一件事情，目前我们研究所正在建设实验数据中心。现在所有人做实验，都要用所谓的电子实验记录本。也就是说，每做一个实验，就得出一个标准化数据。论文里面的数据都对应一系列标准化的数据，并且随着论文的不断发表，实验数据库将不断扩大。”罗会仟说。

这样一来，就能慢慢建立关于理论的框架。当测试一个新材料并获得性能参数之后，就能更加容易地判断这款材料在室温超导上的潜力。

那么，超导的应用前景到底在哪里？罗会仟说：“与数字电路以及半导体技术相结合可能是一个候选项。在超导刚刚发现之初，大家就想过超导可能的应用前景。我们现在用半导体的东西都会发热，都存在能量利用效率比较低的问题，如果将室温超导体应用于半导体器件的制造，能量效率将会被极大地提升。”

不过，使用超导材料来做数字电路，前提是用超导材料实现所谓的逻辑计算，然后进行基本元件二极管和三极管等的制造及组装。超导数字计算机有望更加实现更加高效节能的计算。

对于现在使用的超级计算机而言，发热量是非常巨大的，故会消耗不少的能量，这也是为何超算中心必须具备强散热能力和强制冷能力。

罗会仟还表示，即便能够成功研制超导计算机，还需要考虑终端使用的问题，因为用户的所处环境不一定适合使用超导体。

他继续说道：“对于基础科研人员来说，成果转化是一件难事。科研人员更多专注于自己的研究领域，与资本打交道的能力相对欠缺。因此，要想实现技术转化还需要其他专业人士的帮助。”而对于室温超导而言，真正合适的发展机遇尚未来到。不过，整体来看只有让参与转化的科研人员获得一定收益，才能更快推动产业化的进程。

另据悉，赵忠贤院士团队和罗会仟所在的中国科学院物理研究所也在积极参与科学知识普及。比如在微信公众号上开办前沿科普、问答、正经玩等有特色的栏目，定期开展线上直播和线下公众科学日等，深受广大公众的喜爱。罗会仟本人曾出版《物理学的足迹》、《超导“小时代”》等科普书籍。