韓國一研究團隊7月26日宣稱發(fā)現“室溫超導”材料LK-99，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的計算機模擬結果甚至給予了理論支持，期間大量團隊投入到試驗復現當中，部分用戶甚至感慨“見證歷史”。

(相關資料圖)

然而，由于試驗結果不一，再加上論文多處存疑，且論文未正式公開發(fā)表，都為LK-99是室溫超導體的結論蒙上陰影。

爭議中的LK-99很快迎來反轉，8月2日，韓超導學會宣布成立“LK-99 驗證委員會”，隨后8月3日，“驗證委員會”LK-99未表現出邁斯納效應，無法證明是超導體，也因此，所謂的“第四次工業(yè)革命”在數日內宣告結束。

拋開現象看本質，什么是超導、高溫超導、室溫超導，它們的特性和差別在哪里，為什么說室溫超導能引發(fā)如此的轟動，目前科學界對室溫超導的研究都有哪些路徑，取得了什么樣的成果？

騰訊新聞特邀中科院物理所研究院、科普作家羅會仟，線上直播解讀室溫超導那點事兒。

以下為直播實錄脫水版：

超導那點事兒

Q：歷史上，是誰率先發(fā)現了超導現象，它產生的必要條件是什么？

羅會仟：超導研究歷史挺長，到今年應該是有112年了。

1911年，荷蘭萊頓大學卡莫林-昂尼斯的團隊在研究低溫金屬導電性的實驗，選擇了水銀作為材料，意外發(fā)現其溫度降到4.2K（攝氏度-269℃）以下電阻消失，后來這個現象被稱之為超級導電，即進入最完美的導電狀態(tài)。1933年，沃爾特?邁斯納發(fā)現了超導的另外一個現象——完全抗磁性，當進入超導態(tài)之后，磁場無法進入超導體內部，形成一個抵御外磁場的能力，即磁化率等于-1。

總結下來，超導材料的的兩個關鍵特征，其一是電阻徹底消失，絕對零電阻；其二是進入超導態(tài)后具備完全的抗磁性。

Q：很多科幻作品在探索超導應用，現實情況如何，它們又帶來了哪些價值？

羅會仟：大家印象深刻科幻電影《阿凡達》，電影中的 一些星球上的山，好多是在天上，山體內部有很多室溫超導體，進而實現了磁懸浮效應，這是超導的一個典型的現象；類似的電影還有《太空旅客 》，其中提到的人工可控核聚變發(fā)動機，也是超導的應用場景。 、

超導應用分為兩大塊：強電和弱電。

強電即在零電阻的狀態(tài)下，可以通過很強的電流，可以用于輸電，在很多地方已經有應用，而強電流可以帶來強磁場，它的應用場景包括核磁共振成像、可控核聚變、高速磁懸浮列車等等。另外，物理研究中各種實驗都可能涉及磁場，比如大型粒子加速器、極端條件測試平臺等，都有超導磁體的用武之地。

弱電指的是借助超導體本身的一些性質，比如利用阻抗好的特點去做濾波器，最熱門的則是近年來比較火的量子計算，也就是在超導材料上刻蝕量子比特，構造超導芯片。簡單來說，弱電方面的應用不需要太多的超導材料，其扮演關鍵作用即可，而且它還有個特點，并不因為超導溫度低而受到極大限制。

Q：超導在材料學的探索當中，屬于什么樣的地位？

羅會仟：超導研究在材料探索里面其實比較普通，沒有想象的占比那么大。我們凝聚態(tài)物理研究除了超導實驗室之外，還有磁學實驗室，表面物理實驗室，納米實驗室，這些實驗室都很大，研究方向甚至比超導大的多。

但反過來看，超導研究有一個非常有趣的現象，可以帶動整個材料學的發(fā)展，發(fā)現其他有趣的物理現象，比如龐磁阻、量子磁體、拓撲電子態(tài)等等。

舉個例子，有10位直接從事超導研究的科學家獲得諾貝爾獎，而整個物理諾獎得主也就200多人，凝聚態(tài)物理總共就60-70個人，這個比例是非常了不起的，這也可以解釋為什么大家對超導、室溫超導如此關注。

室溫超導簡史

Q：超導、高溫超導、非常規(guī)超導，室溫超導這這些名詞非常多，它們有什么關聯，差異點又是什么？

羅會仟: 大家可能聽說過高溫超導、室溫超導，高低在物理學中是相對的，前面提到的水銀，也就是金屬汞，4.2K（攝氏度-269℃）就可以實現超導效應。

隨著BCS超導理論（該理論以其發(fā)明者約翰?巴丁、利昂?庫珀和約翰?施里弗的名字首字母命名，用于解釋常規(guī)超導體的超導電性的微觀理論）建立起來，科學家就可以預測材料的超導溫度，而40K就是其理論預言的上限。直到80年代，大量40K以上的銅氧化物超導體被發(fā)現，大家發(fā)現不能再用BCS超導理論解釋其高溫超導現象。業(yè)界于是將40K作為低溫、高溫超導的分界線，不過這個分界線其實并不很明確。

按物理學來講，判斷一個材料是不是高溫超導不需要嚴格按照40K的標準。高溫超導材料目前只有兩種，一種是銅氧化物，一種是鐵基超導。對于銅氧化物來說，只要它們材料結構接近，哪怕超導溫度只有10K、5K，業(yè)界依然將其稱之為高溫超導體。鐵基超導體里面超越40k的材料并不多，但它們也統稱為高溫超導體?？傊撤N材料本身或者它的“家族”的溫度可以達到40K，甚至可以超過液氮溫區(qū)，達到77K，即第二條分界線，都可以歸到高溫超導范疇，原因在于它們內在的超導機制應該是相同的。

所以，高溫、低溫只是一個相對概念，沒有絕對的界限。歷史上也曾把20 K或30 K作為低溫、高溫超導的分界線，只是后來大家傾向于用40K的“常規(guī)理論極限”而已。

至于室溫超導，其中的室溫在凝聚態(tài)物理學上有嚴格的定義，一般定義成300K，也就是27攝氏度，有可能超過300K的超導體才能被叫做室溫超導。

非常規(guī)超導和常規(guī)超導的區(qū)別在于能否用BCS理論描述，這個理論的核心是電子借助原子熱振動的能量兩兩配對并相干凝聚形成了超導。而非常規(guī)超導，即不能用傳統 BCS理論描述的超導體，它們的電子配對不僅僅與原子熱振動有關，而可能與材料內部的磁性相互作用有關，電子-電子之間也存在很強的相互作用。常壓下的高溫超導，如前面提到的銅氧化物和鐵基超導，都是非常規(guī)超導。目前在常壓下能突破液氮溫區(qū)的超導體，僅有部分銅氧化物能做到。對應的，常規(guī)超導即能用傳統BCS理論描述的超導體，主要包括單質金屬與合金，目前發(fā)現的所有常規(guī)超導材料，常壓下其超導溫度均低于40K。但高壓可以進一步穩(wěn)定原子晶格，即使是常規(guī)超導體，其超導溫度也可以借助高壓提升到40K以上，甚至接近室溫。

Q：科學家們夢想找到可實用化的室溫超導材料，是否意味著常規(guī)超導、高溫超導的應用存在短板，為什么非要追求室溫超導？

羅會仟：達到室溫有很多辦法，重要的是可實用化。為什么我們一定要去努力的去提高超導體的溫度，甚至追逐室溫超導？核心目的是降低成本。

所謂低溫超導材料，比如現在用的最多的鈦合金，它的超導溫度就只有9K左右，要使用它就得用液氦制冷，但氦是稀有氣體，液化比較困難，且成本非常貴，做研究可以，但大規(guī)模使用不大可能。

高溫超導方面，銅氧化物的超導溫度已經很高了，常壓下134K，高壓下165K，除了溫度保持需要成本外，這種材質本身并不好用，它很脆，可以說一掰就碎，沒法直接做電線，需要把它套在金屬管里拉拔成線材，或在金屬基片上鍍膜，用幾層膜把它保護住，形成有非常復雜結構的高溫超導帶材，在這個帶材中高溫超導材料的原材料成本幾乎可以忽略不計，更多成本來自于克服材料本身存在的問題，衍生出來的成本。

要搞定制冷成本，最好的辦法就是找到室溫超導體，其次是不需要復雜結構，直接作為電線的可實用化材料，這是為什么要追求室溫超導的原因。

Q：室溫超導的實現路徑有什么，差異和特點是什么？

羅會仟：探索室溫超導確實有一些比較明確的路徑，不過能實用化室溫超導材料則沒有明確的理論指導。

如果忽略是否可以實用化，只朝著提高超導Tc（超導轉變溫度，指超導體由正常態(tài)進入超導態(tài)的溫度），有很多路徑，最常用的是借助高壓。

基于BCS理論可以算出，假如材料晶格穩(wěn)定性特別好，能夠提供的配對能量特別高，電聲子耦合能達到一定量級，就可能實現室溫超導。但常壓下存在40K的上限，高壓則可以突破這個限制。目前，最有可能實現室溫超導的材料就是金屬氫，它是自然界最輕的元素，但是需要的壓力非常之高，大概需要500萬個大氣壓，這需要昂貴的金剛石，且產出的材料最終只有微米或微克量級。

為什么如此極端條件下的超導，看似毫無用途，我們還要去探索呢？借助高壓超導的邏輯，假如我們找到了一個600K的超導體，但需要200萬個大氣壓。當壓力降到幾千或幾百個大氣壓的級別，材料的超導溫度也會下降，但仍然有可能還是高于300K，這樣距離應用就會越來越近。當然，最好是把壓力完全卸掉，仍然能保持完好的材料結構，且具有室溫的超導電性。

高壓下探索室溫超導可以給我們帶來一些新的思路，比如發(fā)現一些過去“不存在”的材料結構，因為高壓的引入會人為制備出許多新型的材料結構。對照這些結構我們可以在材料數據庫里面去檢索結構相近的一系列材料，再去驗證這些材料是否具備超導特性，哪怕不是室溫超導，也有重要意義。

另一個思路是近年來比較火的界面超導。比如清華大學薛其坤院士團隊做的單層鐵硒薄膜。鐵硒是一種鐵基超導體，這種材料的塊體超導溫度只有9K，鍍成單層薄膜后的超導溫度可以達到65K以上。也有浙江大學的團隊將鉭酸鉀構成一個特殊取向的界面，也出現了超導，只是超導溫度并不高。類似的還有很多，甚至兩個不超導的材料拼在一起，其界面也可能出現超導。

盡管思路較多，但是上述材料要做到規(guī)?；瘡婋姂脦缀醪豢赡埽驗闊o法直接做成電線。但還是可以做弱電應用，比如一些特殊情況下的電子開關、精密的探測器等。所以，最好的是，能找到不需要高壓，也不需要特殊維度，就能實現室溫超導的材料。

從操作方法上看，我們今天找超導材料的方法和效率跟之前相比是完全不一樣的。之前，有人說做超導的像“炒菜”，把元素周期表拿過來，幾個元素“一湊”，先“炒炒”，“炒”完了看看超導不超導，這個過程是非常漫長的，而且要“一鍋一鍋的炒”，“炒不好”就要廢掉重新來，效率非常低。但現在可以“1000口鍋、10000口鍋，同時炒”，這種技術就叫做材料基因組技術，可以批量化制備樣品，一下子將所有可能的元素組合全部搞定，效率大大提高。

除了以上說的實驗部分的效率提升外，基于計算能力的提升，使得理論方面也有很大的提升。現在基于理論和實驗，建立一個海量的真實材料數據庫，甚至利用AI技術訓練它輔助尋找室溫超導材料，也讓我們更加有針對性去探索。

Q：尋找室溫超導的過程中，有哪些實質性和階段性的突破，目前最接近室溫超導的材料是什么？

羅會仟：這些年實質性的突破并不太多，最大的突破就是前面說到的高壓氫化物超導。

剛剛也提到過，最早2015年做硫化氫，發(fā)現做氫的化合物壓力不需要那么高，只需要一兩百萬大氣壓就可以實現超導，順著這個思路可以尋找含氫多的材料，其中一類就是稀土+氫，比如2019年發(fā)現的鑭氫十，就是鑭加十個氫，十個氫構成一個籠子，鑭原子在中間，就相當于一拖十，它帶的“氫”多，能達到的超導的溫度也高，可以達到260 K左右。

我們的終極目標是室溫，但也未必非要瞄準室溫這么死磕。我們可以瞄準這個遠大目標，也有希望找到其它一些超導材料，溫度未必很高，關鍵在于用途，不一定非要強電，弱電其實也可以。

這些年領域內也實實在在做到一些，比如鐵基超導、銅基超導，尤其是鐵基超導，中國人做了很大的貢獻。大家去翻翻研究資料會發(fā)現，除了銅基和鐵基之外，第一個鉻基超導、錳基超導都是由中國人發(fā)現的，最近在鎳基超導體中，也實現了液氮溫區(qū)的突破，而且它們都是非常規(guī)超導體。還有一些其他過渡金屬化合物也都是超導體，只是大部分超導溫度偏低。但即便是溫度低，只要有應用價值就可以，而即便沒有應用價值，有理論價值也是好的，可以啟示我們如何尋找更多更好用的超導體。

引發(fā)轟動的LK-99

Q：韓國團隊發(fā)現的LK-99，缺陷是什么？

羅會仟：韓國團隊的這篇論文，數據比較糟糕，看起來幾乎沒有一條可以直接支持超導的結論。

前面提到過，通常測超導要求材料絕對零電阻，完全抗磁性，這兩條是最基本的原則，最好還要測到比熱的跳變，也就是熱學特征，證明其是一個相變，這些條件都符合了才能說它是一個超導現象，很遺憾這篇論文這三點都無法支持，數據質量不夠有說服力，所謂缺陷也就是這些方面。

此外，大家不要將預印本的論文和正式論文等同，這一點非常重要。

學術圈有一條，叫做同行評議，這非常重要，你的論文必須通過同行的質疑、拷問，確認所有證據都成立才有可能去發(fā)表，也只有這樣論文在領域內才具備研究價值，所以這也是為什么今年3月份迪亞斯在《自然》上發(fā)布的室溫超導研究論文，在超導領域獲得了更多關注的原因，即便后來證明他這個結果依舊有很大問題。

Q：您的文章中也提到過不明超導體，這類不明超導體有哪些，特點是什么？

羅會仟：不明超導體即Unidentified Superconducting Object。

超導的探索上，時不時就冒出一個新材料，讓人“驚喜”，這種“驚喜”總在無意之間且很難預料，這也是為什么這個領域保持活躍，科研人員愿意去從事這方面探索的原因。但要注意，有相當多的超導體，都是“不明超導體”，也就是有研究團隊聲稱發(fā)現了一個超導材料，它既滿足零電阻，也具備抗磁性，但是其他團隊無法復現；另外還有一種是沒有正式發(fā)布論文，或者干脆就在自己的官網發(fā)布。

實際上，不明超導體并不是一件壞事情，舉個例子，銅氧化物高溫超導體最早被發(fā)現時，它的超導溫度是35K，零電阻大概30K，盡管不高，但卻破了鈮三鍺零電阻23K的紀錄，當時的論文就是發(fā)在一個非常普通的期刊上，且題目用的是非常泛的字眼“大概”、“可能”，非常謹慎，當時的數據還沒有抗磁性，并且是3個樣本中，只有一個有零電阻。要知道，這可是獲得諾貝爾獎的研究，甚至后來發(fā)現分子式也錯了，因為真正超導的元素配比并不是設想的那樣。

在銅氧化物研究的早期，出現了一大批銅氧化物超導體，結構和元素配比千奇百怪，超導溫度各式各樣，甚至有不少聲稱是200K以上的超導體。隨著研究不斷深入，把材料做純后發(fā)現超導現象都不存在，或者是測量出了差錯。不過這些錯誤，并沒有影響超導材料的探索，相反，給了大家很多啟示。如今銅氧化物超導家族，已經非常豐富了。

不明超導體的重災區(qū)則是含碳材料，比如說石墨，本身就具備抗磁性，石墨摻雜一些堿金屬也是超導體。但如果其他材料純度不高，摻了一點石墨進去的材料，測量方式不對的話，也可能會測到石墨本身的抗磁性，進而引發(fā)錯誤結論。生活里有不少化學物質，含有苯環(huán)化合物，也具備抗磁性，如果拿去測試也會有很弱的抗磁性，但要測到零電阻可能性不大。

我們會見證歷史嗎？

Q：有很多人說如果室溫超導被發(fā)現，也是我們見證歷史的時刻，那么它將會給我們的生活帶來哪些改變呢？

羅會仟:如果未來能夠實現超導技術的大規(guī)模應用，它將會給我們的生活帶來革命性的改變，我們家里的家具可以沒有腿，出門可以大大提高交通運輸效率，縮短旅行時間，因為汽車可以沒有輪子，火車可以飛行，甚至還有續(xù)航優(yōu)越的超導太空飛船，這些想法在超導技術的推動下可能會成為現實。

大家可以想象一下，我們生活里面能用到電和磁的地方，我們統統都可以替換成超導體。不過，這需要很長一段時間才能實現。

到今天為止，其實超導在大規(guī)模的應用也還沒有真正的實現，這是因為絕大部分超導材料都不太好用，溫度只是限制條件之一。

實現大規(guī)模應用的前提必須是實用可靠。除了高臨界溫度、高臨界磁場和高載流能力等指標外，超導材料還需要具備出色的柔韌性和耐久性，超導材料需要承受多次極端環(huán)境考驗，如升降溫、強磁場和大電流。如果一個超導體在正常使用時通電的電流是穩(wěn)定的，但突然間無法繼續(xù)工作，那這意味著什么？答案是它已經出現了電阻，失去了超導的特性。

即便存在微小的電阻，當如此大的電流通過時也會瞬間產生發(fā)熱效應。特別是對于低溫超導體來說，由于其處于液氦環(huán)境中，一旦發(fā)生發(fā)熱，液氦就會迅速沸騰，引發(fā)所謂的“Quench（崩潰）”現象，甚至導致整個制冷系統失效，無法繼續(xù)工作。這種情況非常危險，設備可能在瞬間無法使用。因此，超導材料需要具備出色的穩(wěn)定性和耐久性，以確保在多次升降溫、強磁場和大電流等條件下依然保持超導狀態(tài)，從而實現可靠的應用。

雖然大規(guī)模應用可能需要室溫超導等更高的性能，但在某些特定的領域，即使在相對較低的溫度下使用超導材料，仍然可以帶來重要的價值和應用前景。比如深圳的平安大廈，就使用了高溫超導電纜，這些電纜在較高的溫度下（相對于常規(guī)低溫超導材料）仍然能夠表現出超導特性，從而實現零電阻的電流傳輸。需要提一句的是，對超導強電應用來說，溫度越低的超導材料性能可以成倍甚至數量級地提升，所以如果需要更強的電流或更強的磁場，即便是室溫超導體的應用，我們依舊需要很低的溫度環(huán)境。

在某些弱電應用中，只要材料具備超導特性，但可能并不需要追求室溫超導，而是在更低溫下使用。這種情況下，即使溫度很低，將超導材料泡在液氮或固氮中也是可行的，哪怕是需要價格昂貴的更低溫度的稀釋制冷機，也是為了滿足特定應用的需求。

Q：室溫超導材料如果實現的話，離這種規(guī)?；卸噙h？

羅會仟：超導已經100多年了，現在應用范圍最廣的還是100多年前發(fā)現的鈮鈦合金和鈮三錫等，即使高溫超導發(fā)現也已經有30多年，目前僅僅做到規(guī)模產業(yè)化，可以說應用剛剛起步，所以具體的時間其實是沒法估計，不能說今天發(fā)現了室溫超導材料，明天就能應用。

回到探索上來，探索室溫超導，還是高溫超導，抑或是非常規(guī)超導，這個過程也會帶來很多意想不到的價值。

從理論上來講，哪怕是50年代的BCS這么老的理論，它的出現仍然推動的粒子物理的發(fā)展，我們非常熟悉的希格斯粒子的理論模型實際上就是借鑒了BCS理論中對稱破缺的學術思想。

現在研究高溫超導一系列的問題里面，有很多的學術思想是非常重要的。這是因為高溫超導面臨的是一個多體物理問題——它的電子和電子之間相互作用很強，必須同時考慮一大群電子怎么運動。

這種物理模型目前是沒有的，所以研究人員在努力嘗試著去建立這種所謂的量子多體理論，這個過程中提出了一些新的概念，比如“量子自旋液體”、“拓撲序”、“拓撲物態(tài)”，這些新的概念又促使著我們回頭去將現有的材料重新分類，進而重新認識這種現象，進而出現一些新的應用、理論價值，我們知道2016年的物理諾貝爾獎就是這個方向。

此外，在尋找超導材料的過程中，超導體可能沒有找到，但是卻能意外發(fā)現這些材料的其它特性，比如鐵基超導，目前已經有團隊發(fā)現，在鐵基超導的基礎上，植入少量磁性原子，進而制備出溫度很高的稀磁半導體。

我經常比喻，探索室溫超導的過程就像在電子的海洋里面釣魚，你不知道釣上來是什么魚，可能想釣上來超導體，結果上來的可能不是，但不管是什么魚，也會有意外的價值。

本文來源：騰訊科技，原文標題：《人類需要什么樣的室溫超導？》

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