超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì),、磁通釘扎性質(zhì),，還有相位相干性質(zhì),。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用。目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué),、能源,、交通等多個領(lǐng)域,，發(fā)揮了不可替代的作用,。

“這個結(jié)論應(yīng)該是被證偽了?！蹦暇┐髮W(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞?；F隊在幾乎復(fù)刻了美國羅切斯特大學(xué)教授迪亞斯研究的室溫超導(dǎo)材料并完成測量以后，得出了與之完全不同的結(jié)論,。除此之外,，我國多個團隊發(fā)表的相關(guān)實驗結(jié)果也都給出了否定的結(jié)論。

3月初,，迪亞斯在美國物理年會的一場報告中宣布,，在1GPa（約1萬個標準大氣壓）下，實現(xiàn)了294K（21℃）的室溫超導(dǎo),。

是烏龍事件,，還是迪亞斯團隊確實摘下了“凝聚態(tài)物理學(xué)圣杯”？一切有待驗證,。但無論結(jié)果如何,，都說明“室溫超導(dǎo)”自帶龐大“流量”，多年來,，吸引著無數(shù)科學(xué)家在這一領(lǐng)域孜孜以求,，躬耕不輟。

那么,，“室溫超導(dǎo)”究竟是什么,？人類距離這個目標還有多遠？

超導(dǎo)特性催生顛覆性應(yīng)用

“眾所周知,，金,、銀、銅是非常好的導(dǎo)體材料,，電阻都比較小,，但是仍然存在電阻?！鄙虾４髮W(xué)材料基因組工程研究院教授葛軍飴介紹,，超導(dǎo)材料是一類具有特殊電、磁特性的材料,，它具有在某一臨界溫度下,，表現(xiàn)出電阻突然消失且完全抗磁的特性,。在理論上，超導(dǎo)材料導(dǎo)電時可以沒有阻力,、熱損耗和衰減,。

“超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì),，還有相位相干性質(zhì),。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用?！甭労,；⒔榻B。

目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué),、能源,、交通等多個領(lǐng)域，發(fā)揮了不可替代的作用,。

葛軍飴舉例說,，醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產(chǎn)生特斯拉級別強磁場，該設(shè)備的分辨率與磁場的大小成正比,，磁場越大越容易發(fā)現(xiàn)一些早期病變,。而超導(dǎo)材料的磁通釘扎性質(zhì)可以使其在強磁場下仍然保持零電阻特性，因此可以制備出非常強大的磁場,。

在電網(wǎng)的運行中,，為了降低傳輸中的損耗，往往需要用到超高壓的輸電方案,。但建設(shè)超高壓電網(wǎng)不僅需要較高的成本,，還會對環(huán)境造成一定的破壞。而采用超導(dǎo)電纜輸電,，可以在幾十千伏的電壓下傳輸相同級別的電力,。2021年12月，我國自主建設(shè)的首條公里級高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運行,，在超導(dǎo)電纜大規(guī)模應(yīng)用的征途中邁出了重要的一步,。

此外，超導(dǎo)在儲能,、磁懸浮等領(lǐng)域的應(yīng)用也在快速發(fā)展中,。全球最大的國際科研合作項目“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”，有望解決人類對清潔能源的終極需求,。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置,，俗稱“人造太陽”。近幾年快速發(fā)展的量子計算的多條路徑中，基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)設(shè)計的量子計算機是目前公認最可能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的方案,。

室溫超導(dǎo)“圣杯”為何難摘

“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性,，這意味著實驗中使用的超導(dǎo)材料無法投入到長期、常規(guī)的應(yīng)用中,，比如無損電力傳輸,、超導(dǎo)磁懸浮高速列車和平價醫(yī)療影像設(shè)備?！蹦祥_大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說,。

從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，人類在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒有停下腳步,。100多年來,，在試圖解釋超導(dǎo)機理的同時,，科學(xué)家一直在想辦法提升超導(dǎo)材料的臨界溫度,。

最先出現(xiàn)的是低溫超導(dǎo)材料。聞?；⒔榻B,，1986年之前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)材料的最高臨界溫度是23.2K（-249.95℃）,。低溫超導(dǎo)材料以鈮鈦超導(dǎo)體,、鈮三錫化合物超導(dǎo)體這兩類材料為代表，目前在工業(yè)界,、醫(yī)療界,、大科學(xué)裝置等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

就在人們對高溫超導(dǎo)不抱太大希望的時候,，1986年,，瑞士的兩位科學(xué)家在銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，并且很快合成了臨界溫度大于77K（-196℃）的超導(dǎo)材料釔鋇銅氧,。這類臨界溫度突破傳統(tǒng)理論預(yù)言的麥克米蘭極限40K（-233℃）的材料被稱為高溫超導(dǎo)體,。

“需要說明的是，這里的‘高溫’也只是一個相對的概念,。實際上,，目前已經(jīng)進入實用化階段的高溫超導(dǎo)體的臨界溫度仍然在零下100多攝氏度，遠低于室溫,，需要液氮作為制冷劑運行,。”葛軍飴強調(diào),。

隨后,，人們相繼發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂、鐵基超導(dǎo)在內(nèi)的多個新的超導(dǎo)體系，并嘗試通過化學(xué)元素摻雜,、離子液體調(diào)控,、電荷轉(zhuǎn)移等方法提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。但迄今為止,，常壓下的超導(dǎo)臨界溫度的紀錄仍然由銅氧化物超導(dǎo)體保持,。

“盡管高溫超導(dǎo)體突破了液氮溫度，可以在液氮下使用,，且成本很低,。但其使用依舊受限?！奔爵斞a充說,，制冷成本和高溫超導(dǎo)材料的一些臨界參數(shù)限制了高溫超導(dǎo)的發(fā)展。

“發(fā)現(xiàn)真正的室溫超導(dǎo)體是人們的終極目標,。如果室溫超導(dǎo)材料出現(xiàn),，那么制冷成本會更低，室溫超導(dǎo)材料就會更容易推廣,?！甭労；⒄f,。

葛軍飴表示,，室溫超導(dǎo)并不是一個新概念，理論研究就曾預(yù)言,，原子質(zhì)量最小的氫被金屬化后將表現(xiàn)出高達室溫的超導(dǎo)臨界溫度,。然而，要使氫變成金屬,，需要外界施加極大的壓力,。

直到2017年，金屬氫才首次被迪亞斯及其導(dǎo)師在高壓下合成,，但該實驗至今仍無法被其他實驗室重復(fù),。2020年迪亞斯等人報道的高壓下的室溫超導(dǎo)也因為數(shù)據(jù)可靠性存疑以及實驗的不可重復(fù)性等原因在2022年9月被撤稿。

“此次迪亞斯課題組的研究成果再次引起廣泛關(guān)注的原因在于,，本次報道的室溫超導(dǎo)所需要的壓力條件比之前的氫化物體系出現(xiàn)超導(dǎo)所需要的壓力小得多,，只有之前的幾百分之一?！备疖婏嵳J為,。

未來將如何實現(xiàn)室溫超導(dǎo)

由于迪亞斯此次公布的成果降低了實驗所需壓力，因此世界各地的很多實驗室都具備重復(fù)試驗的條件,。

3月15日,，聞?；F隊在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9個作者、長達16頁的研究論文,，題目是“氮摻雜氫化镥（LuH_2±xN_y）近環(huán)境條件下不存在超導(dǎo)性”,，直截了當?shù)胤穸说蟻喫沟难芯拷Y(jié)論。

“迪亞斯制備樣品材料的方案幾乎不可行,，我們結(jié)合自己的條件,，以全新的方式進行合成，得到了镥氮氫材料,?！甭労；⒄f,。

經(jīng)X射線衍射儀技術(shù)檢查后,，該材料結(jié)構(gòu)與迪亞斯的樣品幾乎一致。聞?；F隊隨即在6萬個大氣壓以下的不同壓力中,，對該材料電阻進行了測量，發(fā)現(xiàn)溫度低至10K時都沒有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生,。同時,，他們也進行了仔細的磁化測量，發(fā)現(xiàn)沒有超導(dǎo)所需的抗磁信號,。“這些發(fā)現(xiàn)足以說明我們制備出來的與迪亞斯團隊制備的類似樣品中,，沒有近常壓的室溫超導(dǎo)電性,。”聞?；⒄f,。

季魯也認同這一結(jié)論?！奥労,；F隊將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強環(huán)境下，確實在300K左右的溫度條件下看到了一些電阻數(shù)據(jù)的變化,，但看起來應(yīng)該是材料結(jié)構(gòu)的變化,。”他說,，這種變化可以認定為一種相變,，但應(yīng)該不是超導(dǎo)相變。因此,，針對這種截然相反的結(jié)果,，有兩種解釋——要么是迪亞斯的實驗條件更加苛刻，要么是迪亞斯團隊的數(shù)據(jù)解讀有明顯錯誤。

“其實常壓下室溫超導(dǎo)材料的實現(xiàn)路徑,，除了迪亞斯這種金屬附氫加高壓的方向之外,，還有很多其他辦法?！甭労,；⒔榻B，比如沿著原來銅氧化物超導(dǎo)的方向,，也有可能實現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo),，這也是國際主流方向。

理論成果往往要很久后才能投入應(yīng)用,。葛軍飴認為,，實現(xiàn)室溫超導(dǎo)的路還很遙遠。就如同距離高溫銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了30余年,，但目前應(yīng)用最廣泛的實用化超導(dǎo)體仍然是20世紀50年代發(fā)現(xiàn)的鈮鈦超導(dǎo)體,、鈮三錫化合物超導(dǎo)體等合金類的低溫超導(dǎo)體。

聞?；⒈硎?，室溫超導(dǎo)是人類夢寐以求的目標。同時,，我國也在積極推進低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用進程,，取得了較多進展。在低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用上,，我國已基本達到國際先進水平,。而在高溫超導(dǎo)應(yīng)用上，目前上海,、蘇州等地的公司已經(jīng)能制備出釔鋇銅氧超導(dǎo)體的帶材,。此外，我國科學(xué)家在目前國際上最看好的鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域,，也作出了許多貢獻,。

“如果能實現(xiàn)更強磁場下的超導(dǎo)磁體技術(shù)，可以讓核聚變更容易發(fā)生,，再加上超級加速器,，能大大降低可控核聚變成本，應(yīng)用前景廣闊,?！甭労；⒄f,。

(編輯:月兒)