鬧烏龍還是摘下“圣杯”

　　實現“室溫超導”？讓子彈再飛一會兒

　　◎本報記者 陳 曦 實習記者 沈 唯

　　超導材料除了零電阻性質、磁通釘扎性質，還有相位相干性質。這三個主要特性讓超導體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應用。目前超導材料已應用于醫學、能源、交通等多個領域，發揮了不可替代的作用。

　　“這個結論應該是被證偽了。”南京大學超導物理和材料研究中心主任聞海虎團隊在幾乎復刻了美國羅切斯特大學教授迪亞斯研究的室溫超導材料并完成測量以后，得出了與之完全不同的結論。除此之外，我國多個團隊發表的相關實驗結果也都給出了否定的結論。

　　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，實現了294K(21℃)的室溫超導。

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

　　那么，“室溫超導”究竟是什么？人類距離這個目標還有多遠？

　　超導特性催生顛覆性應用

　　“眾所周知，金、銀、銅是非常好的導體材料，電阻都比較小，但是仍然存在電阻。”上海大學材料基因組工程研究院教授葛軍飴介紹，超導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，表現出電阻突然消失且完全抗磁的特性。在理論上，超導材料導電時可以沒有阻力、熱損耗和衰減。

　　“超導材料除了零電阻性質、磁通釘扎性質，還有相位相干性質。這三個主要特性讓超導體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應用。”聞海虎介紹。

　　目前超導材料已應用于醫學、能源、交通等多個領域，發揮了不可替代的作用。

　　葛軍飴舉例說，醫院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產生特斯拉級別強磁場，該設備的分辨率與磁場的大小成正比，磁場越大越容易發現一些早期病變。而超導材料的磁通釘扎性質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。但建設超高壓電網不僅需要較高的成本，還會對環境造成一定的破壞。而采用超導電纜輸電，可以在幾十千伏的電壓下傳輸相同級別的電力。2021年12月，我國自主建設的首條公里級高溫超導電纜并網運行，在超導電纜大規模應用的征途中邁出了重要的一步。

　　此外，超導在儲能、磁懸浮等領域的應用也在快速發展中。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裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托卡馬克裝置，俗稱“人造太陽”。近幾年快速發展的量子計算的多條路徑中，基于超導約瑟夫森結設計的量子計算機是目前公認最可能實現“量子霸權”的方案。

　　室溫超導“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性，這意味著實驗中使用的超導材料無法投入到長期、常規的應用中，比如無損電力傳輸、超導磁懸浮高速列車和平價醫療影像設備。”南開大學電子信息與通信系副教授季魯說。

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

　　最先出現的是低溫超導材料。聞海虎介紹，1986年之前，科學家發現的所有超導材料的最高臨界溫度是23.2K(-249.95℃)。低溫超導材料以鈮鈦超導體、鈮三錫化合物超導體這兩類材料為代表，目前在工業界、醫療界、大科學裝置等領域應用最為廣泛。

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

　　“需要說明的是，這里的‘高溫’也只是一個相對的概念。實際上，目前已經進入實用化階段的高溫超導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。

　　隨后，人們相繼發現了二硼化鎂、鐵基超導在內的多個新的超導體系，并嘗試通過化學元素摻雜、離子液體調控、電荷轉移等方法提高其超導轉變溫度。但迄今為止，常壓下的超導臨界溫度的紀錄仍然由銅氧化物超導體保持。

　　“盡管高溫超導體突破了液氮溫度，可以在液氮下使用，且成本很低。但其使用依舊受限。”季魯補充說，制冷成本和高溫超導材料的一些臨界參數限制了高溫超導的發展。

　　“發現真正的室溫超導體是人們的終極目標。如果室溫超導材料出現，那么制冷成本會更低，室溫超導材料就會更容易推廣。”聞海虎說。

　　葛軍飴表示，室溫超導并不是一個新概念，理論研究就曾預言，原子質量最小的氫被金屬化后將表現出高達室溫的超導臨界溫度。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師在高壓下合成，但該實驗至今仍無法被其他實驗室重復。2020年迪亞斯等人報道的高壓下的室溫超導也因為數據可靠性存疑以及實驗的不可重復性等原因在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注的原因在于，本次報道的室溫超導所需要的壓力條件比之前的氫化物體系出現超導所需要的壓力小得多，只有之前的幾百分之一。”葛軍飴認為。

　　未來將如何實現室溫超導

　　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試驗的條件。

　　3月15日，聞海虎團隊在預印本網站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)近環境條件下不存在超導性”，直截了當地否定了迪亞斯的研究結論。

　　“迪亞斯制備樣品材料的方案幾乎不可行，我們結合自己的條件，以全新的方式進行合成，得到了镥氮氫材料。”聞海虎說。

　　經X射線衍射儀技術檢查后，該材料結構與迪亞斯的樣品幾乎一致。聞海虎團隊隨即在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，發現溫度低至10K時都沒有超導現象發生。同時，他們也進行了仔細的磁化測量，發現沒有超導所需的抗磁信號。“這些發現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電性。”聞海虎說。

　　季魯也認同這一結論。“聞海虎團隊將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強環境下，確實在300K左右的溫度條件下看到了一些電阻數據的變化，但看起來應該是材料結構的變化。”他說，這種變化可以認定為一種相變，但應該不是超導相變。因此，針對這種截然相反的結果，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據解讀有明顯錯誤。

　　“其實常壓下室溫超導材料的實現路徑，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。”聞海虎介紹，比如沿著原來銅氧化物超導的方向，也有可能實現常壓下的室溫超導，這也是國際主流方向。

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

　　聞海虎表示，室溫超導是人類夢寐以求的目標。同時，我國也在積極推進低溫超導和高溫超導材料的應用進程，取得了較多進展。在低溫超導材料的應用上，我國已基本達到國際先進水平。而在高溫超導應用上，目前上海、蘇州等地的公司已經能制備出釔鋇銅氧超導體的帶材。此外，我國科學家在目前國際上最看好的鐵基超導研究領域，也作出了許多貢獻。

　　“如果能實現更強磁場下的超導磁體技術，可以讓核聚變更容易發生，再加上超級加速器，能大大降低可控核聚變成本，應用前景廣闊。”聞海虎說。(科技日報)