高温超导，这次“高”在哪里？

*本文为半月谈原创内容

要说物理学最大分支——凝聚态物理最容易“上头条”的题目，高温超导无论如何可算其一。世界上任何角落的科学家宣称在此方面有所突破，消息不仅会传遍科学界，还会成为百姓群众街谈巷议的热点——当然，数据不要造假。如果像2023年那位美国科学家一样材料没造出却造了乌龙，也会成为传世笑柄。

今年2月，一支由国家最高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的中国科学家团队，宣布发现常压下镍氧化物的高温超导电性。这一登上《自然》的成果，是国际物理学界交口称赞的高温超导研究最新突破。那么，中国科学家们的贡献，到底有多神奇？高温超导，这次“高”在哪里？

让我们先从超导是什么讲起……

如何解除“低温封印”？

为什么大家都关心超导？

想象一下，有一根神奇的电线，日常输送电流，基本没有发热或者损耗能量的情况，甚至可以一直保持电流的流动。这听起来是不是有点像魔法？其实，这就是超导现象的写照。关键在于，它居然可以传递能量不打折扣！

时间回到百余年前的1911年，荷兰物理学家昂内斯在实验室里意外发现，当他把汞冷却到约4K（“K”为热力学温度单位“开尔文”，4K=-269.15℃）时，汞的电阻突然消失，这意味着电流可以在其中毫无阻碍地流动，就像在光滑的冰面上滑行一样。昂内斯兴奋地将这种现象命名为“超导”，从此，人类开启了对超导世界的探索。

然而，超导现象刚被发现时，就像一处冰封的宝藏，虽然诱人，但却难以触及。因为要让材料达到超导状态，必须将其冷却到极低的温度，这需要依赖昂贵且稀缺的液氦来实现。液氦制冷成本极高，使得超导技术后续几十年间难有突破，科学家实现的超导温度一直在23K（-250℃）以下徘徊，仿佛被看不见的魔咒封印。

直到1986年，两位欧洲科学家意外发现铜氧化物在相对“高温”（-238℃）下就能实现超导。这个温度虽然仍然很低，但已经可以用更便宜的液氮（-196℃）来实现制冷了。

同年年底，中国科学家赵忠贤带领团队合成出一系列铜基超导材料，其中两个样品的超导转变温度分别为48.6K和46.3K，这是当时世界上的最高纪录。

更重要的是，铜氧化物超导体的发现，为超导技术的实用化铺平了道路。毕竟，10K左右的温度提升，也足以让大家对高温超导的前景恢复信心。这一发现如同在寒冷的冰原上点燃了一把火，让超导技术打破“低温封印”融入生活世界有了希望。

火山口上“绣花”

经过数十年探索，科学家相对熟悉的高温超导材料家族已经有了三位主要成员：铜基、铁基和镍基。如前文所述，铜基、铁基都已在常压下跨过破40K的超导效果界标——“麦克米兰极限”，薛其坤院士团队的最新成果，让镍基材料追上了两位前辈，同样冲破了“麦克米兰极限”封锁线。

薛其坤团队合影

近年来，镍基超导以其丰富应用潜力，已成为超导研究“兵家必争之地”，各家用兵路线不同，在学界同仁看来，薛其坤院士团队其实选了一条险途。

为何这么说？相较于同期发表类似结果的斯坦福团队“大力出奇迹”的脉冲激光沉积技术，中国科学家选择的是极其精巧的强氧化原子逐层外延技术。顾名思义，这一路径不可避免地要遭遇极强烈的氧化反应，如同攀登一座微观世界中不断喷发的火山。薛其坤院士团队要挑战的，还不止登顶火山而已，更要在火山口上“绣花”。

说是“绣花”，其实还低估了研究的难度，不如说是在纳米尺度上“搭原子积木”。为了获得最理想的研究材料——数纳米厚的超薄膜，团队用去1000多片样品，才摸索出一套“原子铆钉术”，在极强氧化环境下，也固定住了原本需要极高压才能令其稳定的原子结构，进而实现原子层逐层稳稳生长。

无需高压，电磁输运仍能得到超导两大关键指标“零电阻”与“抗磁性”的理想结果，中国科学家终于将镍基高温超导材料展示在世人面前。

值得骄傲的是，中国科学家本次突破，不仅刷新了超导材料家族图谱，更是在镍基体系中验证了高温超导的普适性，为解决高温超导机理的科学难题提供了全新突破口。也就是说，这次发现，蕴藏着修订物理理论教科书的希望。

薛其坤与研发团队在实验室进行高温超导研究

展望超导世界

零电阻、完全抗磁性，超导体的这两个重要特性，令其在电力传输、磁悬浮技术、粒子加速器、医疗成像设备以及核聚变等领域有着广泛的应用前景。

尽管高温超导技术已经逐步取得突破，但科学家们的目标远不止于此。他们一直在寻找常压室温超导体——也就是在常温常压下就能实现超导的材料。如果发现了这等神奇的超导体，也就意味着超导技术将彻底摆脱低温的“封印”，真正走进千家万户。

超导世界有何不同？城市电网将由超导电缆织成“能源互联网”，彻底告别停电；磁悬浮列车行驶于超导轨道，追风逐电的速度将给旅客带来更多便捷；脑机接口可以借助超导量子传感器解读神经信号，距离意念控制成为现实又近了一步……

人类用了百年时间，将超导温度从-269.15℃提高了一百多度。每前进一度，都意味着对物质更深刻的理解和对能量更精妙的掌控。超导世界之门，还在等待着推开它的有心人。

半月谈记者：白瑜

编辑：范钟秀