人类需要什么样的室温超导？

 

 

什么是超导、高温超导、室温超导，它们的特性和差别在哪里，为什么说室温超导能引发如此的轰动，目前科学界对室温超导的研究都有哪些路径，取得了什么样的成果？历史上，是谁率先发现了超导现象，它产生的必要条件是什么？
罗会仟：超导研究历史挺长，到今年应该是有112年了。
1911年，荷兰莱顿大学卡莫林-昂尼斯的团队在研究低温金属导电性的实验，选择了水银作为材料，意外发现其温度降到4.2K（摄氏度-269℃）以下电阻消失，后来这个现象被称之为超级导电，即进入最完美的导电状态。1933年，沃尔特•迈斯纳发现了超导的另外一个现象——完全抗磁性，当进入超导态之后，磁场无法进入超导体内部，形成一个抵御外磁场的能力，即磁化率等于-1。
总结下来，超导材料的的两个关键特征，其一是电阻彻底消失，绝对零电阻；其二是进入超导态后具备完全的抗磁性。
很多科幻作品在探索超导应用，现实情况如何，它们又带来了哪些价值？
罗会仟：大家印象深刻科幻电影《阿凡达》，电影中的 一些星球上的山，好多是在天上，山体内部有很多室温超导体，进而实现了磁悬浮效应，这是超导的一个典型的现象；类似的电影还有《太空旅客 》，其中提到的人工可控核聚变发动机，也是超导的应用场景。 、
超导应用分为两大块：强电和弱电。
强电即在零电阻的状态下，可以通过很强的电流，可以用于输电，在很多地方已经有应用，而强电流可以带来强磁场，它的应用场景包括核磁共振成像、可控核聚变、高速磁悬浮列车等等。另外，物理研究中各种实验都可能涉及磁场，比如大型粒子加速器、极端条件测试平台等，都有超导磁体的用武之地。
弱电指的是借助超导体本身的一些性质，比如利用阻抗好的特点去做滤波器，最热门的则是近年来比较火的量子计算，也就是在超导材料上刻蚀量子比特，构造超导芯片。简单来说，弱电方面的应用不需要太多的超导材料，其扮演关键作用即可，而且它还有个特点，并不因为超导温度低而受到极大限制。超导在材料学的探索当中，属于什么样的地位？
罗会仟：超导研究在材料探索里面其实比较普通，没有想象的占比那么大。我们凝聚态物理研究除了超导实验室之外，还有磁学实验室，表面物理实验室，纳米实验室，这些实验室都很大，研究方向甚至比超导大的多。
但反过来看，超导研究有一个非常有趣的现象，可以带动整个材料学的发展，发现其他有趣的物理现象，比如庞磁阻、量子磁体、拓扑电子态等等。
举个例子，有10位直接从事超导研究的科学家获得诺贝尔奖，而整个物理诺奖得主也就200多人，凝聚态物理总共就60-70个人，这个比例是非常了不起的，这也可以解释为什么大家对超导、室温超导如此关注。超导、高温超导、非常规超导，室温超导这这些名词非常多，它们有什么关联，差异点又是什么？
罗会仟: 大家可能听说过高温超导、室温超导，高低在物理学中是相对的，前面提到的水银，也就是金属汞，4.2K（摄氏度-269℃）就可以实现超导效应。
随着BCS超导理论（该理论以其发明者约翰•巴丁、利昂•库珀和约翰•施里弗的名字首字母命名，用于解释常规超导体的超导电性的微观理论）建立起来，科学家就可以预测材料的超导温度，而40K就是其理论预言的上限。直到80年代，大量40K以上的铜氧化物超导体被发现，大家发现不能再用BCS超导理论解释其高温超导现象。业界于是将40K作为低温、高温超导的分界线，不过这个分界线其实并不很明确。
按物理学来讲，判断一个材料是不是高温超导不需要严格按照40K的标准。高温超导材料目前只有两种，一种是铜氧化物，一种是铁基超导。对于铜氧化物来说，只要它们材料结构接近，哪怕超导温度只有10K、5K，业界依然将其称之为高温超导体。铁基超导体里面超越40k的材料并不多，但它们也统称为高温超导体。总之，某种材料本身或者它的“家族”的温度可以达到40K，甚至可以超过液氮温区，达到77K，即第二条分界线，都可以归到高温超导范畴，原因在于它们内在的超导机制应该是相同的。
所以，高温、低温只是一个相对概念，没有绝对的界限。历史上也曾把20 K或30 K作为低温、高温超导的分界线，只是后来大家倾向于用40K的“常规理论极限”而已。
至于室温超导，其中的室温在凝聚态物理学上有严格的定义，一般定义成300K，也就是27摄氏度，有可能超过300K的超导体才能被叫做室温超导。
非常规超导和常规超导的区别在于能否用BCS理论描述，这个理论的核心是电子借助原子热振动的能量两两配对并相干凝聚形成了超导。而非常规超导，即不能用传统 BCS理论描述的超导体，它们的电子配对不仅仅与原子热振动有关，而可能与材料内部的磁性相互作用有关，电子-电子之间也存在很强的相互作用。常压下的高温超导，如前面提到的铜氧化物和铁基超导，都是非常规超导。目前在常压下能突破液氮温区的超导体，仅有部分铜氧化物能做到。对应的，常规超导即能用传统BCS理论描述的超导体，主要包括单质金属与合金，目前发现的所有常规超导材料，常压下其超导温度均低于40K。但高压可以进一步稳定原子晶格，即使是常规超导体，其超导温度也可以借助高压提升到40K以上，甚至接近室温。
科学家们梦想找到可实用化的室温超导材料，是否意味着常规超导、高温超导的应用存在短板，为什么非要追求室温超导？
罗会仟：达到室温有很多办法，重要的是可实用化。为什么我们一定要去努力的去提高超导体的温度，甚至追逐室温超导？核心目的是降低成本。
所谓低温超导材料，比如现在用的最多的钛合金，它的超导温度就只有9K左右，要使用它就得用液氦制冷，但氦是稀有气体，液化比较困难，且成本非常贵，做研究可以，但大规模使用不大可能。
高温超导方面，铜氧化物的超导温度已经很高了，常压下134K，高压下165K，除了温度保持需要成本外，这种材质本身并不好用，它很脆，可以说一掰就碎，没法直接做电线，需要把它套在金属管里拉拔成线材，或在金属基片上镀膜，用几层膜把它保护住，形成有非常复杂结构的高温超导带材，在这个带材中高温超导材料的原材料成本几乎可以忽略不计，更多成本来自于克服材料本身存在的问题，衍生出来的成本。
要搞定制冷成本，最好的办法就是找到室温超导体，其次是不需要复杂结构，直接作为电线的可实用化材料，这是为什么要追求室温超导的原因。
室温超导的实现路径有什么，差异和特点是什么？
罗会仟：探索室温超导确实有一些比较明确的路径，不过能实用化室温超导材料则没有明确的理论指导。
如果忽略是否可以实用化，只朝着提高超导Tc（超导转变温度，指超导体由正常态进入超导态的温度），有很多路径，最常用的是借助高压。
基于BCS理论可以算出，假如材料晶格稳定性特别好，能够提供的配对能量特别高，电声子耦合能达到一定量级，就可能实现室温超导。但常压下存在40K的上限，高压则可以突破这个限制。目前，最有可能实现室温超导的材料就是金属氢，它是自然界最轻的元素，但是需要的压力非常之高，大概需要500万个大气压，这需要昂贵的金刚石，且产出的材料最终只有微米或微克量级。
为什么如此极端条件下的超导，看似毫无用途，我们还要去探索呢？借助高压超导的逻辑，假如我们找到了一个600K的超导体，但需要200万个大气压。当压力降到几千或几百个大气压的级别，材料的超导温度也会下降，但仍然有可能还是高于300K，这样距离应用就会越来越近。当然，最好是把压力完全卸掉，仍然能保持完好的材料结构，且具有室温的超导电性。
高压下探索室温超导可以给我们带来一些新的思路，比如发现一些过去“不存在”的材料结构，因为高压的引入会人为制备出许多新型的材料结构。对照这些结构我们可以在材料数据库里面去检索结构相近的一系列材料，再去验证这些材料是否具备超导特性，哪怕不是室温超导，也有重要意义。
另一个思路是近年来比较火的界面超导。比如清华大学薛其坤院士团队做的单层铁硒薄膜。铁硒是一种铁基超导体，这种材料的块体超导温度只有9K，镀成单层薄膜后的超导温度可以达到65K以上。也有浙江大学的团队将钽酸钾构成一个特殊取向的界面，也出现了超导，只是超导温度并不高。类似的还有很多，甚至两个不超导的材料拼在一起，其界面也可能出现超导。
尽管思路较多，但是上述材料要做到规模化强电应用几乎不可能，因为无法直接做成电线。但还是可以做弱电应用，比如一些特殊情况下的电子开关、精密的探测器等。所以，最好的是，能找到不需要高压，也不需要特殊维度，就能实现室温超导的材料。
从操作方法上看，我们今天找超导材料的方法和效率跟之前相比是完全不一样的。之前，有人说做超导的像“炒菜”，把元素周期表拿过来，几个元素“一凑”，先“炒炒”，“炒”完了看看超导不超导，这个过程是非常漫长的，而且要“一锅一锅的炒”，“炒不好”就要废掉重新来，效率非常低。但现在可以“1000口锅、10000口锅，同时炒”，这种技术就叫做材料基因组技术，可以批量化制备样品，一下子将所有可能的元素组合全部搞定，效率大大提高。
除了以上说的实验部分的效率提升外，基于计算能力的提升，使得理论方面也有很大的提升。现在基于理论和实验，建立一个海量的真实材料数据库，甚至利用AI技术训练它辅助寻找室温超导材料，也让我们更加有针对性去探索。
寻找室温超导的过程中，有哪些实质性和阶段性的突破，目前最接近室温超导的材料是什么？
罗会仟：这些年实质性的突破并不太多，最大的突破就是前面说到的高压氢化物超导。
刚刚也提到过，最早2015年做硫化氢，发现做氢的化合物压力不需要那么高，只需要一两百万大气压就可以实现超导，顺着这个思路可以寻找含氢多的材料，其中一类就是稀土+氢，比如2019年发现的镧氢十，就是镧加十个氢，十个氢构成一个笼子，镧原子在中间，就相当于一拖十，它带的“氢”多，能达到的超导的温度也高，可以达到260 K左右。
我们的终极目标是室温，但也未必非要瞄准室温这么死磕。我们可以瞄准这个远大目标，也有希望找到其它一些超导材料，温度未必很高，关键在于用途，不一定非要强电，弱电其实也可以。
这些年领域内也实实在在做到一些，比如铁基超导、铜基超导，尤其是铁基超导，中国人做了很大的贡献。大家去翻翻研究资料会发现，除了铜基和铁基之外，第一个铬基超导、锰基超导都是由中国人发现的，最近在镍基超导体中，也实现了液氮温区的突破，而且它们都是非常规超导体。还有一些其他过渡金属化合物也都是超导体，只是大部分超导温度偏低。但即便是温度低，只要有应用价值就可以，而即便没有应用价值，有理论价值也是好的，可以启示我们如何寻找更多更好用的超导体。
引发轰动的LK-99韩国团队发现的LK-99，缺陷是什么？
罗会仟：韩国团队的这篇论文，数据比较糟糕，看起来几乎没有一条可以直接支持超导的结论。
前面提到过，通常测超导要求材料绝对零电阻，完全抗磁性，这两条是最基本的原则，最好还要测到比热的跳变，也就是热学特征，证明其是一个相变，这些条件都符合了才能说它是一个超导现象，很遗憾这篇论文这三点都无法支持，数据质量不够有说服力，所谓缺陷也就是这些方面。
此外，大家不要将预印本的论文和正式论文等同，这一点非常重要。
学术圈有一条，叫做同行评议，这非常重要，你的论文必须通过同行的质疑、拷问，确认所有证据都成立才有可能去发表，也只有这样论文在领域内才具备研究价值，所以这也是为什么今年3月份迪亚斯在《自然》上发布的室温超导研究论文，在超导领域获得了更多关注的原因，即便后来证明他这个结果依旧有很大问题。有很多人说如果室温超导被发现，也是我们见证历史的时刻，那么它将会给我们的生活带来哪些改变呢？
罗会仟: 如果未来能够实现超导技术的大规模应用，它将会给我们的生活带来革命性的改变，我们家里的家具可以没有腿，出门可以大大提高交通运输效率，缩短旅行时间，因为汽车可以没有轮子，火车可以飞行，甚至还有续航优越的超导太空飞船，这些想法在超导技术的推动下可能会成为现实。
大家可以想象一下，我们生活里面能用到电和磁的地方，我们统统都可以替换成超导体。不过，这需要很长一段时间才能实现。
到今天为止，其实超导在大规模的应用也还没有真正的实现，这是因为绝大部分超导材料都不太好用，温度只是限制条件之一。
实现大规模应用的前提必须是实用可靠。除了高临界温度、高临界磁场和高载流能力等指标外，超导材料还需要具备出色的柔韧性和耐久性，超导材料需要承受多次极端环境考验，如升降温、强磁场和大电流。如果一个超导体在正常使用时通电的电流是稳定的，但突然间无法继续工作，那这意味着什么？答案是它已经出现了电阻，失去了超导的特性。
即便存在微小的电阻，当如此大的电流通过时也会瞬间产生发热效应。特别是对于低温超导体来说，由于其处于液氦环境中，一旦发生发热，液氦就会迅速沸腾，引发所谓的“Quench（崩溃）”现象，甚至导致整个制冷系统失效，无法继续工作。这种情况非常危险，设备可能在瞬间无法使用。因此，超导材料需要具备出色的稳定性和耐久性，以确保在多次升降温、强磁场和大电流等条件下依然保持超导状态，从而实现可靠的应用。
虽然大规模应用可能需要室温超导等更高的性能，但在某些特定的领域，即使在相对较低的温度下使用超导材料，仍然可以带来重要的价值和应用前景。比如深圳的平安大厦，就使用了高温超导电缆，这些电缆在较高的温度下（相对于常规低温超导材料）仍然能够表现出超导特性，从而实现零电阻的电流传输。需要提一句的是，对超导强电应用来说，温度越低的超导材料性能可以成倍甚至数量级地提升，所以如果需要更强的电流或更强的磁场，即便是室温超导体的应用，我们依旧需要很低的温度环境。
在某些弱电应用中，只要材料具备超导特性，但可能并不需要追求室温超导，而是在更低温下使用。这种情况下，即使温度很低，将超导材料泡在液氮或固氮中也是可行的，哪怕是需要价格昂贵的更低温度的稀释制冷机，也是为了满足特定应用的需求。
室温超导材料如果实现的话，离这种规模化有多远？
罗会仟：超导已经100多年了，现在应用范围最广的还是100多年前发现的铌钛合金和铌三锡等，即使高温超导发现也已经有30多年，目前仅仅做到规模产业化，可以说应用刚刚起步，所以具体的时间其实是没法估计，不能说今天发现了室温超导材料，明天就能应用。
回到探索上来，探索室温超导，还是高温超导，抑或是非常规超导，这个过程也会带来很多意想不到的价值。
从理论上来讲，哪怕是50年代的BCS这么老的理论，它的出现仍然推动的粒子物理的发展，我们非常熟悉的希格斯粒子的理论模型实际上就是借鉴了BCS理论中对称破缺的学术思想。
现在研究高温超导一系列的问题里面，有很多的学术思想是非常重要的。这是因为高温超导面临的是一个多体物理问题——它的电子和电子之间相互作用很强，必须同时考虑一大群电子怎么运动。
这种物理模型目前是没有的，所以研究人员在努力尝试着去建立这种所谓的量子多体理论，这个过程中提出了一些新的概念，比如“量子自旋液体”、“拓扑序”、“拓扑物态”，这些新的概念又促使着我们回头去将现有的材料重新分类，进而重新认识这种现象，进而出现一些新的应用、理论价值，我们知道2016年的物理诺贝尔奖就是这个方向。
此外，在寻找超导材料的过程中，超导体可能没有找到，但是却能意外发现这些材料的其它特性，比如铁基超导，目前已经有团队发现，在铁基超导的基础上，植入少量磁性原子，进而制备出温度很高的稀磁半导体。
我经常比喻，探索室温超导的过程就像在电子的海洋里面钓鱼，你不知道钓上来是什么鱼，可能想钓上来超导体，结果上来的可能不是，但不管是什么鱼，也会有意外的价值。