室温超导：民科狂欢，巨擘坟场？

过去的十多天内，自韩国团队在arXiv公布发现常压室温超导材料LK-99后，从科技爱好者到顶级实验室都掀起了材料制备、实验复现的热潮。

民间科学网站SpaceBattles Forums统计了全球11个公开披露实验进度的官方机构列表，以及6组个人身份复刻实验的名单，其中约一半来自中国。截止目前已经有6个机构或个人完成了验证超导材料的第一步，4家声称实验已取得部分成功，即验证LK-99的抗磁性。

当我们问询来自中国和美国超导领域专家，有关下一步实验验证情况预测时，一位超导领域资深教授对福布斯中国称，室温抗磁性是物质世界一个较为常见的特性，甚至可以称之为普通，目前还很难去判断最终结果，所以也暂不方便发表更多评论。

而马里兰州大学的CMT 中心的推特则更直白的表示，“这些论文中的理论/背景室温超导相关讨论非常幼稚，如果这是马里兰州大学的本科项目，我们会给 F”。

此外，另有消息人士公开指出，韩国团队类似实验手稿在2020年投Nature就已被拒绝过，在7月22日上传到的arXiv是一个类似于学术进展分享平台，并非类似Nature或Science这类有有较强背书效应的核心刊物。也因此arXiv上的学术内容往往比较鱼龙混杂。但其前沿的学术氛围一直吸引不少的科研工作者将自己的研究进展上传至该平台，如上个月谷歌团队在arXiv上发布的研究称其最新Sycamore量子处理器目前拥有70个量子比特，而2019年版本只有53个量子比特。该进展也同样引起了不小的轰动。

如今关于室温超导的实验验证正在迅速的两级分化，在严肃物理学术界的反馈大多是消极的反应，而当科技爱好者发现原来现代物理学圣杯竟然如此唾手可得，谁也忍不住去抓一下，即使它是假的。

今天我们为您推荐了一篇2年前发布于福布斯网站的室温超导科普短文，不过今天上午我们再回顾这篇科普短文时发现，其中提到的2篇学术文章所获得的结论已被Nature这样的严肃顶级学术刊物撤回。

原文标题：《我们距离室温超导体这一能效圣杯还有多远?》

文｜Ethan Siegel，资深撰稿人

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现代社会最大的物理问题之一就是阻力。

请注意，不是政治或社会阻力，而是电力阻力：当电流通过导线时，一定会有部分能量转化为热量散失掉。电流就是随时间移动的电荷，人类利用它来传输电力。然而，即使是最好、最有效的导体——金、银、铜和铝——在电流通过时都会产生一定的电阻。

无论这些导体有多宽、多密封、多未氧化，它们在传输电能方面的效率都无法达到100%。

只有一种情况除外，那就是——你能让载流导线从普通导体变成超导体。普通导体的电阻在冷却后会逐渐降低，而超导体则不同，在温度低于某个临界值时，其电阻会骤降至零。在没有任何电阻的情况下，超导体可以以无损的方式传输电能，从而实现能源效率的最大化。近期，学界的研究带来了迄今为止发现的温度最高的超导体，但可能不会很快改变我们的电子基础设施。以下就是有关这项前沿科学的一些基本原理。

法拉第在1831年所做的演示感应的实验之一。液体电池（右）通过小线圈（A）发出电流。当液体电池被移进或移出大线圈（B）时，其磁场会在线圈中感应出瞬间电压，电流计会检测到这一电压。随着温度的降低，电路的电阻也随之减小。图片来源：J. LAMBERT

超导现象有着悠久而迷人的历史。早在19世纪，人们就意识到所有材料——即使是最好的导体，仍然会表现出某种形式的电阻。你可以通过增加导线的横截面、降低材料的温度，或者减少导线的长度来降低电阻。然而，无论你把电线做得多粗，把系统温度降到多冷，或者把电路做得多短，都不可能用标准导体实现无限的导电性，原因令人惊讶：电流会产生磁场，而电阻率的任何变化都会改变电流，而这又会反过来改变导体内部的磁场。

然而，完美的导电性要求导体内部的磁场保持不变。一般来说，如果降低导线的电阻，电流就会增加，磁场就会改变，这意味着无法实现完美的导电性。但是，某些材料中会产生一种固有的量子效应——迈斯纳效应：导体内部的所有磁场都会被驱逐。这使得导体内部的磁场对流过它的任何电流的干扰都为零。如果磁场被驱除，导体就会开始表现得像超导体一样，电阻为零。

氦（He）具有独特的元素特性，比如它在极低温度下的液态和超流体特性，使它非常适合于一系列其他元素或化合物无法比拟的科学应用。这幅图里显示的超流体氦是滴落的，因为液体中没有摩擦力来阻止它爬上容器的边沿并溢出来。图片来源：ALFRED LEITNER

超导现象早在1911年就被发现了，当时液氦首次被广泛用作制冷剂。科学家海克·翁内斯（Heike Onnes）使用液氦将汞（Hg）元素冷却成固态，然后研究其电阻特性。正如预期的那样，对于所有导体来说，电阻都会随着温度的下降而逐渐下降，但只会下降到某个程度就停止了。在4.2K（零下269摄氏度）的温度下，电阻完全消失了。此外，一旦温度低于这个阈值，固体汞内部就没有磁场了。后来，其他几种材料也被证明能表现出这种超导现象，它们都在各自独特的温度下成为了超导体：

• 温度为7K时的铅（Pb）
• 温度为10K时的铌（Nb）
• 温度为16K时的氮化铌（NNb）

与此同时，理论研究也取得了进展，帮助物理学家理解了导致材料出现超导现象的量子机制。然而，在20世纪80年代的一系列实验之后，一些令人着迷的现象开始出现：由截然不同类型的分子组成的材料不仅表现出了超导性，而且其中一些材料能表现出超导性的温度远远高于最早已知的超导体。

这张图显示了超导体及其临界温度的发展和发现过程。不同的颜色代表不同类型的材料：BCS（深绿色圆圈），重费米子材料（浅绿色星形），铜酸盐（蓝色菱形），巴克敏斯特富勒烯材料（紫色倒三角），碳同素异形体（红色三角形）和铁-核苷酸材料（橙色方形）。在高压下实现的新物质状态创造了目前的记录。图片来源：PIA JENSEN RAY. FIGURE 2.4 IN MASTER'S THESIS, "STRUCTURAL INVESTIGATION OF LA2–XSRXCUO4+Y - FOLLOWING STAGING AS A FUNCTION OF TEMPERATURE". NIELS BOHR INSTITUTE, FACULTY OF SCIENCE, UNIVERSITY OF COPENHAGEN. COPENHAGEN, DENMARK, NOVEMBER 2015. DOI：10.6084/M9.FIGSHARE.2075680.V2

它始于一类简单的材料：氧化铜（CuO）。

在20世纪80年代中期，使用含镧（La）和钡（Ba）元素的铜氧化物进行的超导实验打破了长期以来的实现超导的温度记录：超过30K。不过，这个记录很快被用锶（Sr）代替钡的化合物打破了，然后又被一种新材料——钇钡铜氧化物（YBCO）再次打破，而且打破的幅度很大。

这不仅是一个标准的进步，而且是一个巨大的飞跃：氧化钇钡铜不再在约40K以下的温度下实现超导（这意味着实现它需要液氢或液氦才能实现），而是成为了第一种被发现可以在77K以上温度下实现超导的材料（它在温度为92K时可以实现超导），这意味着你可以使用便宜得多的液氮将设备冷却到超导温度。

这一发现导致了超导研究的的爆炸式增长，人们对各种材料进行了探索，不仅对这些材料施加了极端温度，还施加了极端压力。然而，尽管围绕超导的研究取得了巨大的突破，但实现超导的最高“变身”温度却停滞不前，几十年来一直未能突破200K大关（而室温仅略低于300K）。

液氮冷却的冰球在磁轨上方超导的静态图片。通过创建一个外侧磁轨指向一个方向、内侧磁轨指向另一个方向的磁轨，II型超导物体将悬浮起来，保持在磁轨上方或下方，并沿着磁轨移动。如果室温超导体得以实现，原则上可以将其放大，以实现大尺度的无阻力运动。图片来源：HENRY MÜHLPFORDT / TU DRESDEN

尽管如此，超导性在实现某些技术突破方面已经变得非常重要。它被广泛用于制造地球上最强的磁场，而这些磁场都是通过超导电磁铁制造的。从粒子加速器（包括欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）到诊断医学成像（它们是核磁共振成像仪的重要组成部分），超导性不仅本身是一种迷人的科学现象，而且还促成了一些卓越的科学成果。

虽然我们大多数人可能更熟悉超导的新奇有趣的应用——比如利用强磁场使青蛙悬浮起来，或者利用超导性使无摩擦的冰球悬浮在磁轨之上并在磁轨上滑动——但这并不是这项技术真正的社会目标。我们的目标是为我们的星球建立一个完全没有电阻的电气化基础设施系统，从电力线到电子设备都包括在内。虽然目前一些低温冷却系统可以做到这一点，但室温超导体却可能会带来一场能源效率革命，以及磁悬浮列车和量子计算机等应用领域的基础设施革命。

现代高磁场临床MRI扫描仪。核磁共振成像仪是当今医疗或科学领域对氦的最大利用，它利用了亚原子粒子中的量子跃迁。这些核磁共振成像仪实现的强磁场依赖于目前只有超导电磁铁才能达到的磁场强度。图片来源：WIKIMEDIA COMMONS USER KASUGAHUANG

2015年，科学家们采用了一种相对简单的分子——硫化氢（H2S），一种与水（H2O）非常相似的分子——并对其施加了令人难以置信的压力：155千兆帕斯卡，这是地球海平面大气压力的150多万倍。（相当于在你身体的每一平方英寸的皮肤上施加超过1万吨的力）这是第一次，200k的关卡被打破，但只是在这种极端高压的条件下。

不过，这条研究路线是如此有前途，以至于许多对超导问题的实际解决前景感到失望的物理学家再次对其燃起了兴趣，重新开始研究。

在2020年10月14日的《自然》（Nature）杂志上，罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）和他的同事们在极端压力（最大267千兆帕斯卡）下混合了硫化氢、氢和甲烷，并创造了一种材料——一种“光化学转化的碳质硫化物系统”，打破了超导体的温度记录。

这是科学界第一次观测到288K的最高超导转变温度：它约等于15摄氏度或59华氏度。一个简单的冰箱或热泵就突然能使超导成为可能。

（译注：上文提到的兰加·迪亚斯于2020年发表的论文已因涉嫌数据造假而被《自然》杂志撤回；后来他于今年3月再次在《自然》杂志发表论文称，他们制备了一种材料，可以在1万个标准大气压下实现室温超导，临界温度约为21℃，但是这篇论文又在上周被《自然》杂志撤回。）

在不断变化的外部磁场作用下，材料内部会产生被称为涡流的小电流。 通常，这些涡流会迅速衰减。 但如果材料具有超导性，就不会存在电阻，涡流将无限期地持续下去。 图片来源： CEDRAT TECHNOLOGIES

02

2020年的发现是一个巨大的标志性突破，因为近年来，在极端压力下，已知超导温度的增加是稳步推进的。2015年对氢和硫的加压工作使超导温度突破了200 K的大关，2018年对镧和氢的高压化合物的研究又使其突破了250K的大关。发现一种能在液态水温度下（尽管是在极高的压力下）超导的化合物并不令人惊讶，但打破室温障碍确实是一件大事。

然而，要让这种技术得到实际应用似乎还很遥远。在普通温度和极端压力下实现超导性并不比在普通压力和极端温度下实现超导性更容易，因为两者都是超导性得到广泛应用的障碍。此外，超导材料只有在维持极端压力的情况下才能保持超导性；一旦压力下降，产生超导性的温度也会下降。科学技术的下一大步——还有待迈出的一步——就是在没有这些极端压力的情况下制造出室温超导体。

这是一张用扫描SQUID显微镜拍摄的图像，显示了一层非常薄（200纳米）的钇钡铜氧化物薄膜在液氦温度（4K）和强磁场的作用下呈现的状态。黑点是杂质周围涡流产生的漩涡，而蓝/白区域是所有磁通量被驱逐的地方。图片来源：F. S. WELLS ET AL., 2015, SCIENTIFIC REPORTS VOLUME 5, ARTICLE NUMBER：8677

令人担忧的是，这里可能存在某种“第22条军规”的局面。在标准压力下，“变身”温度最高的超导体不会随着压力的变化而发生明显的行为变化，而在高压下“变身”温度更高的超导体，当压力被降低时，就不会发生超导变化。固态材料是制作导线的好材料，比如前面讨论过的各种铜氧化物，但它们与在极端实验室条件下只能微量产生的加压化合物有很大不同。

但是，正如《科学新闻》（Science News）网站的艾米丽-科诺弗（Emily Conover）首先报道的那样，在电脑计算的辅助下，理论研究可能会为超导技术的实际应用指明方向。每种可能的材料组合都会产生一组独特的结构，而这种理论研究和电脑搜索可以帮助确定哪些结构有希望获得高温但同时也是低压超导体的理想特性。例如，2018年首次跨越~250 K超导屏障的进展就是基于这样的计算，从而获得了随后经过实验测试的镧氢化合物。

该图显示了第一个高温低压超氢化物：LaBH8的结构。这项2021年开展的研究的作者能够预测氢化物超导体LaBH8在压力低至40 千兆帕时的超导温度高达126K：这是让氢化物在高温下实现超导的最低压力。图片来源：S. DI CATALDO ET AL., 2021, arXiv：2102.11227V2

通过利用一组新的元素：钇和氢，这些化合物在接近室温（-11摄氏度，或12华氏度）下实现了超导，而且是在比以前所需的压力低得多的情况下，因此这些计算已经指向了一个实质性的进步。虽然金属氢有望成为一种优秀的高温超导体——它只存在于超高压力下，比如在木星大气层底部发现的那些氢——但添加额外的元素可以降低它对压力的要求，同时仍保持它的高温超导特性。

从理论上讲，所有单元素与氢的组合都已经被探索过了，科学家们现在正在寻找双元素组合，比如迪亚斯之前通过实验发现的碳硫氢化合物。镧和硼与氢的组合已经在实验中显示出了前景，但是可能的双元素组合的数量多达数千种。只有使用电脑计算的方法，我们才能得到下一步应该尝试什么元素组合的指导。

罗切斯特大学声称，在两块金刚石之间施加高压，一种由碳、硫和氢组成的材料就会超导，即在室温下无阻力地传输电流。 只要压力和温度同时保持在某一临界阈值以上，电阻将保持为零。 图片来源： 15 C （59 F）.J. ADAM FENSTER / UNIVERSITY OF ROCHESTER

目前围绕高温超导的最大问题都涉及到实现低压的途径。如果说真正的“圣杯”时刻终有一天会到来，那就是在平凡的条件——即普通的温度和压力下，超导性仍然存在的情况，它可以让各种各样的电子设备都能对超导的能力和前景加以利用。届时，尽管从计算机到磁悬浮设备，再到医学成像等各个技术都将取得进步，但它带来的最大的好处可能来自于电网中节省的大量能源。根据美国能源部的说法，高温超导每年可以为美国节省数千亿美元的能源输送成本。

在一个能源资源有限的世界里，任何消除低能效的方式都可以使每个人受益：能源供应商、分销商和各级消费者。它们可以消除载体过热等问题，从而大大降低电气火灾的风险。它们还可以增加电子设备的使用寿命，同时减少对散热的需求。伴随着科学的进步，超导技术在20世纪从一个新奇事物一跃成为了科学主流。如果大自然对我们足够仁慈的话，也许它会在21世纪随着科学进步一跃成为消费主流。令人欣慰的是，我们已经走在了实现它的路上。

本文作者Ethan Siegel是一名天体物理学家、作家和科普工作者，在多所大学教授物理学和天文学，同时也是福布斯撰稿人，文章内容仅代表作者本人观点。

译自

https：//www.forbes.com/sites/startswithabang/2021/07/07/how-close-are-we-to-the-holy-grail-of-room-temperature-superconductors/?sh=723c16688665

本文来自微信公众号“福布斯”（ID：forbes_china），作者：Forbes，36氪经授权发布。