彭丹妮

當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月7日，在美國(guó)拉斯維加斯舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年度會(huì)議有著不一般的熱鬧場(chǎng)面。原本只能容納不到100人的小會(huì)場(chǎng)，自一個(gè)有關(guān)室溫超導(dǎo)的報(bào)告開始后不久，一度被擠得水泄不通。

來(lái)自美國(guó)羅徹斯特大學(xué)的助理教授蘭加·迪亞斯等宣稱，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種由氫、氮和一種名為镥的稀土元素混合制成的材料，可以在21℃和大約1GPa（約等于一萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的壓力下實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)電性。

這一會(huì)議后，連續(xù)幾天，上海超導(dǎo)公司總工程師朱佳敏接到了非常多電話，很多人來(lái)問(wèn)他，怎么看待這一結(jié)果。他有些驚訝，為何這件事如此出圈？

超導(dǎo)體的一個(gè)特性是“零電阻”，亦即電流通過(guò)時(shí)，沒有因?yàn)槭艿饺魏巫枇Χ鴮?dǎo)致?lián)p失，因此，這是一種革命性的材料。多年來(lái)，尋找一種無(wú)需極低溫或者極高壓就可以使用的超導(dǎo)體是超導(dǎo)界的一大夢(mèng)想，很多業(yè)內(nèi)人士相信，這將開啟新的工業(yè)革命。

超導(dǎo)材料因其絕對(duì)零電阻和完美抗磁特性等性質(zhì)，幾乎在所有電和磁相關(guān)的領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用價(jià)值。比如，現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù)，通過(guò)提高輸電線電壓，盡可能降低能量損耗。

不過(guò)，業(yè)內(nèi)人士們對(duì)此要冷靜得多。這已是迪亞斯等人第二次宣布實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，去年，其上一次的發(fā)現(xiàn)因數(shù)據(jù)原因被《自然》雜志撤稿。因此，這一最新成果的真實(shí)性有待確認(rèn)。

室溫超導(dǎo)為何具有革命性？

3月8日，迪亞斯等人的研究在線發(fā)布于《自然》雜志。根據(jù)論文描述，他們?cè)诮饎偸g放置了一個(gè)直徑為100微米的镥箔，然后泵入一種含有99％氫氣和1％氮?dú)獾幕旌蠚怏w，并將壓力加至2GPa。樣品在65℃的烘箱中加熱，24小時(shí)后釋放壓力，得到了一種在正常條件下呈藍(lán)色的材料。

他們發(fā)現(xiàn)，該材料在0.3GPa時(shí)會(huì)變成粉紅色，同時(shí)開始具有超導(dǎo)性；繼續(xù)加壓力到1GPa時(shí)，材料超導(dǎo)溫度最高在21℃；當(dāng)樣品壓力達(dá)到3.2GPa時(shí)，材料呈鮮紅色，超導(dǎo)可能消失。

通常，電流穿過(guò)電線時(shí)會(huì)遇到阻力，一些能量會(huì)以熱量形式損失掉?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬導(dǎo)體而言，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，溫度越高電阻越大。自然而然，人們開始思考，如果溫度能達(dá)到絕對(duì)零度，是不是電流的電阻會(huì)變成零。

上世紀(jì)初，最后一個(gè)沒被液化的氣體——氦氣終于成功液化，可用于制冷。1911年，荷蘭科學(xué)家海克·昂內(nèi)斯等人發(fā)現(xiàn)汞在4.2K、-269℃附近低溫下，電阻似乎神奇消失。K是“開爾文”的簡(jiǎn)稱，是熱力學(xué)溫標(biāo)或稱絕對(duì)溫標(biāo)，每變化1K相當(dāng)于變化1℃，但開爾文以絕對(duì)零度作為計(jì)算起點(diǎn)，即-273.15 ℃等于0 K。

一方面，超導(dǎo)材料因其絕對(duì)零電阻和完美抗磁特性等性質(zhì)，幾乎在所有電和磁相關(guān)的領(lǐng)域都有巨大應(yīng)用價(jià)值。比如，現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù)，通過(guò)提高輸電線電壓，盡可能降低能量損耗。中科院物理研究所研究員羅會(huì)仟對(duì)記者指出，如果使用超導(dǎo)輸電，可以把目前高壓交流輸電技術(shù)中15％左右的損耗降低到1％以下。

另一方面，因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度正相關(guān)，因此，如果利用電流量很大的超導(dǎo)體做線材，能獲得強(qiáng)大的外部磁場(chǎng)。比如，醫(yī)院用于核磁共振成像的醫(yī)療設(shè)備，采用了超導(dǎo)體以獲得強(qiáng)大磁性。高速磁懸浮列車也需要借助超導(dǎo)材料。

過(guò)去100多年里，各類超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn)，目前已知的超導(dǎo)材料有成千上萬(wàn)種。不過(guò)，朱佳敏說(shuō)，真正實(shí)用化的超導(dǎo)材料非常少，主要分為鈮系合金為主的低溫超導(dǎo)和釔鋇銅氧為主的高溫超導(dǎo)材料。

室溫超導(dǎo)為何仍被寄予厚望？這是因?yàn)楸M管超導(dǎo)材料展現(xiàn)了其在能源、交通等領(lǐng)域的廣闊前景，但低溫卻限制了它的應(yīng)用。

所謂高溫超導(dǎo)材料，并不是人們想象的比如100℃或者200℃。如果在40K以下，約-233.15℃下才能達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，且一般要在液氦制冷系統(tǒng)下工作的超導(dǎo)體，叫作低溫超導(dǎo)；相比之下，如果能夠在40 K以上出現(xiàn)超導(dǎo)電性，就被稱為高溫超導(dǎo)，許多高溫超導(dǎo)體甚至能超過(guò)液氮沸點(diǎn)（約-196 ℃）。

超導(dǎo)材料的眾多應(yīng)用前景中，最被寄予厚望的是推動(dòng)可控核聚變反應(yīng)堆的發(fā)展。2007年，中、印、日、韓、美、俄及歐盟7個(gè)成員發(fā)表了一份聯(lián)合宣言，決定在法國(guó)建造全世界最大的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），從工程角度探討建造商業(yè)核聚變發(fā)電站的可行性。

星環(huán)聚能成立于2021年，是一家核聚變領(lǐng)域的初創(chuàng)公司。創(chuàng)始人陳銳告訴記者，這一大裝置使用的還是最早的低溫超導(dǎo)體材料，必須用到昂貴、大型的液氦冷卻系統(tǒng)，ITER這一大型工程投入上千億元人民幣。ITER項(xiàng)目2008年開建，計(jì)劃2025年建成。近幾年，隨著高溫超導(dǎo)等新材料的工業(yè)化生產(chǎn)變得成熟，使得相對(duì)較小體積、幾億元成本建造核聚變探索裝置變得可行，極大加速了這一領(lǐng)域的商業(yè)化。

星環(huán)聚能目前使用的超導(dǎo)帶材達(dá)到超導(dǎo)的臨界條件是77K，但在可控核聚變環(huán)境中使用時(shí)，實(shí)際溫區(qū)是20K，大約是-250℃。雖然已屬于高溫超導(dǎo)體，但陳銳說(shuō)，這依然是很低的溫度，需要一套昂貴的低溫系統(tǒng)。如果未來(lái)真能夠?qū)崿F(xiàn)室溫超導(dǎo)，顯然會(huì)極大降低可控聚變的研發(fā)及設(shè)計(jì)成本，也會(huì)縮短完成這一事項(xiàng)的時(shí)間。

在物理學(xué)界，一般室溫嚴(yán)格定義為300K，約相當(dāng)于27 ℃。盡管迪亞斯等人的研究還不是嚴(yán)格意義上的“室溫”，但這種超導(dǎo)體的臨界溫度，已經(jīng)是在如此低的壓力下的最高紀(jì)錄。此前使用類似材料所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，所需的壓力在數(shù)百萬(wàn)個(gè)大氣壓，迪亞斯團(tuán)隊(duì)報(bào)道的新材料所需壓力要低得多。

“結(jié)合我們?cè)谔剂驓浠镏邪l(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)性表明，三種元素或更多元素的體系可能是實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)變溫度和在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵?！毖葜v中，迪亞斯表示，有了這些材料，接近環(huán)境壓強(qiáng)超導(dǎo)和技術(shù)應(yīng)用的黎明已經(jīng)到來(lái)。

這次是真的嗎？

這些年來(lái)，超導(dǎo)物理學(xué)界一直在嘗試突破超導(dǎo)體的臨界溫度。但是，當(dāng)問(wèn)及業(yè)內(nèi)人士，看到這一進(jìn)展第一反應(yīng)是什么時(shí)，他們并不是感慨成果本身，而是懷疑，“憑什么又是他們？”

尋找室溫超導(dǎo)非常困難，迪亞斯團(tuán)隊(duì)卻一次次帶來(lái)“驚喜”的成果，而且成果一次比一次更轟動(dòng)。

1986年，整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域發(fā)生了一次“大地震”，一種鋇鑭銅氧化物在30 K，約-243℃左右的臨界溫度中被發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，兩名瑞士科學(xué)家因此獲得了1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，多國(guó)科學(xué)家們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)銅氧化物的超導(dǎo)電性有了更多認(rèn)識(shí)，也掀起全球高溫超導(dǎo)研究的熱潮。1986—1987年的短短一年多里，臨界超導(dǎo)溫度提高近100K。

但是，科學(xué)家們至今仍沒有找到一種真正的室溫超導(dǎo)體。目前研究發(fā)現(xiàn)，提高超導(dǎo)體臨界溫度，最好的路徑就是從高壓著手?！霸诟邏合聦ふ乙粋€(gè)材料更高的臨界溫度，是一個(gè)比較成熟的研究體系了。每次去參加超導(dǎo)會(huì)議都有相關(guān)的報(bào)告?！敝旒衙粽f(shuō)。

解釋超導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)理論早就預(yù)測(cè)，如果氫元素能被足夠強(qiáng)力擠壓形成金屬氫，這種物質(zhì)就極可能是室溫超導(dǎo)體，但前提是要在百萬(wàn)級(jí)大氣壓的極端高壓下合成。

羅會(huì)仟告訴記者，如此高的壓力，需要借助世界上最硬的物質(zhì)——金剛石來(lái)實(shí)現(xiàn)，一對(duì)磨平端面的金剛石形成一種高壓裝置后，對(duì)氫加壓。不過(guò)，氫本身十分活潑、易燃易爆，而且在高壓下，滲入氫元素，會(huì)導(dǎo)致金剛石硬度突然降低而碎裂，發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，種種原因使得這一路徑十分艱難。

“（金屬氫）大家前前后后找了80年，都一直沒有成功?！绷_會(huì)仟說(shuō)。就在這個(gè)時(shí)候，2017年，當(dāng)時(shí)剛剛從哈佛大學(xué)博士后畢業(yè)的迪亞斯與他的導(dǎo)師等人宣布在495GPa下找到了金屬氫，論文發(fā)表在《科學(xué)》期刊。學(xué)界還未等到他們檢測(cè)這一材料的超導(dǎo)性，該團(tuán)隊(duì)卻表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不小心破壞了樣品，金屬氫是否真的找到了、能否實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)成了一個(gè)謎團(tuán)。

另一邊，物理學(xué)家們開始嘗試另一種思路，從二元?dú)浠镏?，試圖通過(guò)元素間的化學(xué)鍵來(lái)產(chǎn)生足夠大的化學(xué)壓力，以接近金屬氫的特性。2015年，德國(guó)馬普研究所兩位科學(xué)家報(bào)告了第一個(gè)超導(dǎo)氫化物：氫和硫的混合物，在巨大壓力及203K，約-70℃的臨界溫度下，電阻急劇下降。

這帶動(dòng)了一波新的超導(dǎo)研究熱，人們開始摸索各種元素與氫的可能組合。羅會(huì)仟說(shuō)，近年來(lái)，隨著結(jié)構(gòu)搜索軟件等計(jì)算機(jī)輔助工具的出現(xiàn)，每年學(xué)界大約都會(huì)報(bào)道發(fā)現(xiàn)了高壓下的超導(dǎo)體，有的臨界超導(dǎo)溫度能達(dá)到200K以上。但是高壓使得實(shí)驗(yàn)并不好做，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量普遍都比較差。

就在這一當(dāng)口，2020年10月，《自然》以封面論文的形式，高調(diào)宣布人類首次實(shí)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”的突破性研究成果。論文通訊作者正是蘭加·迪亞斯，他當(dāng)時(shí)已在美國(guó)羅徹斯特大學(xué)任助理教授。論文標(biāo)題為《碳硫氫化物的室溫超導(dǎo)性》。論文稱，他們創(chuàng)造出一種碳硫氫化合物固體材料，這種材料在溫度約15℃和約267GPa的壓強(qiáng)下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。這是超導(dǎo)材料的臨界溫度首次突破到0℃以上。

2020年末，《科學(xué)》雜志評(píng)選了“年度十大科學(xué)突破”， 迪亞斯的“室溫超導(dǎo)”研究入選。該期刊當(dāng)時(shí)寫道：“科學(xué)家們花了幾十年的時(shí)間尋找在室溫下無(wú)電阻導(dǎo)電材料，今年他們發(fā)現(xiàn)了首個(gè)實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，這是在接近地球中心壓力的條件下，產(chǎn)生的一種含氫和碳的化合物?！?/p>

然而，過(guò)于“漂亮”的論文數(shù)據(jù)引發(fā)了業(yè)內(nèi)諸多質(zhì)疑。而且，本身在二元?dú)浠镏袑ふ沂覝爻瑢?dǎo)就已很難了，迪亞斯團(tuán)隊(duì)報(bào)道的還是一個(gè)三元?dú)浠铩?/p>

此后兩年，諸多研究團(tuán)隊(duì)試圖重復(fù)迪亞斯團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果，無(wú)一成功；一些科學(xué)家一直在以實(shí)驗(yàn)結(jié)果、調(diào)查等形式質(zhì)疑這一研究成果。2022年9月，《自然》雜志不顧作者們的反對(duì)，撤回這一文章。

如今，迪亞斯團(tuán)隊(duì)就像變魔術(shù)般，又帶來(lái)了指標(biāo)看上去更好的“室溫超導(dǎo)”材料。因此，在談?wù)撈淇茖W(xué)價(jià)值和社會(huì)意義之前，先要確定這個(gè)新材料的可復(fù)制性。

一些科學(xué)家已經(jīng)指出了一些疑點(diǎn)。比如，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員孫力玲在接受媒體采訪時(shí)談到，迪亞斯報(bào)告中給出的樣品照片的顏色為藍(lán)色，與通?？吹降某瑢?dǎo)體的黑色和褐色等完全不同。

羅會(huì)仟說(shuō)，在這篇論文中，團(tuán)隊(duì)給出了更加全面的數(shù)據(jù)、大致的化學(xué)組分和制備過(guò)程等信息，而且所需的壓力也比上一次小很多，其他同行應(yīng)該能很快地對(duì)這一研究進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于蘭加·迪亞斯團(tuán)隊(duì)的最新研究，朱佳敏說(shuō)，即便最后驗(yàn)證為真，它離應(yīng)用依然非常遙遠(yuǎn)。雖然“室溫超導(dǎo)”的標(biāo)題讓這個(gè)成果占據(jù)媒體頭條，然而，該超導(dǎo)材料所需的1GPa壓力仍然是一個(gè)很大的數(shù)值，大約是地球目前已知最深海溝——馬里亞納海溝最深處壓力的10倍。

實(shí)際上，比起克服極低溫，在工程上，解決高壓是更困難的事情。朱佳敏說(shuō)，一種超導(dǎo)材料需要做成柔性的、連續(xù)的電線才能投入使用，如果它需要極大的壓力，很難想象接有電線的所有地方都裝上一種“高壓鍋”一樣的裝置，而且安全性也不高。陳銳也提到，比如，在核聚變裝置中，如果要對(duì)每個(gè)磁體的每個(gè)部分都施加1萬(wàn)個(gè)大氣壓，基本不太可能做到。

此外，镥是一種銀白色金屬，是稀土元素中最稀有的一種。一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)是，這種金屬在地球上儲(chǔ)藏量是非常有限的。目前，镥元素僅在極少數(shù)材料領(lǐng)域被應(yīng)用，暫時(shí)還沒有短缺問(wèn)題，一旦需要大規(guī)模用于合成室溫超導(dǎo)材料，其自然儲(chǔ)量將會(huì)是最難突破的瓶頸。

◎ 來(lái)源|中國(guó)新聞周刊