室温超导，托起人类的“哈利路亚山”

在2016年中国国际工业博览会上，上海超导科技展台展出的“悬浮笔”

　　降低超导材料的“使用门槛”是全球科学家共同致力的方向。尤其是常压下的室温超导，更被视作“凝聚态物理学的圣杯”“学术界的理想，工业界的期望”。

文/《环球》杂志记者 张漫子

编辑/刘娟娟

　　最近几周，室温超导成为全球科技圈当之无愧的“顶流”。

　　今年以来两场“室温超导现世”的乌龙，再次将这一物理学“圣杯”掷入公共视野。美国物理学者兰加·迪亚斯在美物理学会3月的一次会议上宣布发现一种含碳、硫、氢的室温超导体，随即被中国学者证伪之后，7月22日又一韩国团队在预印本网站arXiv提交论文，称已合成世界上第一种室温超导体LK-99。

　　在全球学术界陷入惊喜与复现、反转与质疑之后，这场与LK-99有关的风波又一次重复了室温超导曾经历数次从轰动全球到无法验证的舆论“过山车”。

　　时至今日，距离“超导”被发现已过去112年，然而最理想的超导材料——常压下的室温超导至今还未出现，依旧吸引着全球科学家孜孜以求。

　　室温超导为何备受瞩目？人类需要怎样的超导材料？中国在超导领域的相对优势在哪？一波未平一波又起的室温超导热又能为我们留下什么？

百岁超导，仍蒙面纱

　　看过科幻电影《阿凡达》的观众大概记得，景色绝美的潘多拉星球上，有一座缠绕着绿色藤蔓、悬浮在云端的哈利路亚山。导演卡梅隆在剧本中这样解释这一悬浮现象：山中蕴藏着一种叫做Unobtanium的室温超导矿石，其强大的磁场托起了巨大的山体。

　　潘多拉星球是虚构的，但发生在哈利路亚山的超导现象却是真的。多位受访物理学家告诉《环球》杂志记者，一旦进入超导态，超导体就会把体内的磁通线排出去，对磁场产生一个作用力，并且获得磁场对超导体的反作用力，实现一个完全抗磁的磁悬浮状态。同时，超导态下的超导体是没有电阻的，电流能够无衰减地在超导体内流动，并持续不断地保持下去。

　　这正是超导体的神奇之处：零电阻、完全抗磁性。没有电阻，电流通过就不会产生热量，加之完全抗磁，一旦进入超导态，超导体将在电、磁、热三个方面显现出奇妙特性——如应用在长距离输电线、发电及储能领域，将大幅降低电阻热效应带来的能量损耗、提升电力传输效率；应用在电子元器件领域，能显著提升电子设备性能、提高计算机的运行速度；其抗磁性的应用还将克服可控核聚变、医学成像、高速磁悬浮列车等领域目前的技术局限，大型粒子加速器、极端条件测试平台也都有超导磁体的用武之地；其量子隧穿效应还将在超导量子干涉仪、超导量子计算、快速单磁通量子数位电子设备等领域发挥重要作用。

　　然而超导体的难搞之处在于，目前绝大多数超导材料只能在极低温度（液氮或液氦的低温条件）或极高压强下工作，动辄低于-100℃、几百万个大气压，如此高的“门槛”严重制约了超导技术的规模化应用。这也是超导1911年即被科学家发现，但在过去112年间并没有产生革命性产业变革的原因。相较于X射线、激光、半导体，超导体仍蒙着一层神秘面纱。

　　因此，降低超导材料的“使用门槛”是全球科学家共同致力的方向。尤其是常压下的室温超导，更被视作“凝聚态物理学的圣杯”“学术界的理想，工业界的期望”。

“炼丹实验”的复现与质疑

　　这一次，面对硬币状“半悬浮”的样品LK-99，韩国科研团队言之凿凿：实验生成的改性铅磷灰石晶体（LK-99）是全球首个常压室温超导体，可在127℃以下表现出超导性。

　　获得LK-99的“炼丹实验”步骤简洁：第一步，将氧化铅和硫酸铅粉末以各50%的比例在陶瓷坩埚中均匀混合，置于725℃的炉中加热24小时；第二步，将铜单质与铅粉末按比例在坩埚中混合，合成磷化亚铜；第三步，将上述两步所得物质磨成粉末，置于925℃的炉中加热5～20小时，混合粉末反应得到一种灰黑色的铜掺杂的铅-磷灰石，即LK-99。

　　步骤公开后，各地爆发了大量的复现实验。7月30日早晨，B站上出现7个同时进行LK-99复现实验的直播间，吸引网友在线围观。

　　复现实验主要目的是验证LK-99是否同时具备零电阻和完全抗磁性。从目前公布的各项实验结果看，都仅呈现出某一种特性，例如华中科技大学实验视频展示的是LK-99的抗磁性，但并未观测到零电阻属性；东南大学观测到了110K（-163℃）以下的零电阻，但并没有发现完全抗磁性。从中科院物理所、北京大学、南京大学到普林斯顿大学，目前都无法证明LK-99是室温超导体。

　　一位物理学家向《环球》杂志记者解释，合成出抗磁材料，不代表就实现了室温超导，抗磁性只是超导体的必要条件，而非充分条件——超导体都有抗磁性，但是有抗磁性的不一定都是超导体，“LK-99大概率不是室温超导体。”

　　回到悬浮测试视频。一块硬币形状的LK-99样品位于磁铁上方，仅有一部分边缘完全悬浮，另一部分仍与磁铁保持接触。根据韩国团队的解释，“超导体是一维的，超导体周边并无法表现出完全抗磁性，因此只有部分完全悬浮。”换句话说，这就是室温超导，尽管它不够纯粹。

2021年4月28日，在中科院合肥物质科学研究院，

工作人员对全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）进行升级改造

　　这一论断遭到部分中国物理学家驳斥：“没有任何证据表明超导体是一维的。在许多超导材料的发现过程中，超导体表现为‘准二维层状’。”“LK-99表现出的是铁磁性，而不是抗磁性。”

攀登“哈利路亚山”

　　LK-99的风波还未平息，各国科学家已再度出发，寻找人类的“哈利路亚山”。

　　超导的发现，始于经典物理学向量子物理学过渡的时期。百年间，超导材料的发现已有低温超导（低于等于-233℃）和高温超导（超过-233℃）两大分支。与超导有关的诺贝尔奖已授予不下5次，通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家已有10位。

　　理论上，一个好的超导体，其标准体现在三个方面：高临界温度、高临界磁场、高临界电流。20世纪五六十年代，以铌钛合金超导体为代表的具有实用价值的合金超导体的发现以及约翰森-拉别克效应的发现，掀起低温超导技术研发的热潮。由此人们发现了线材制备工艺，制备了和电工与信息技术有关的样机，并在磁体绕制和降低交流损耗等方面解决了技术瓶颈。

　　1986年，德国科学家柏诺兹与瑞士科学家缪勒发现了临界转变温度为35K（-238℃）的镧钡铜氧超导体，并获得1987年度诺贝尔物理学奖。因其温度突破了液氮温区，导致更大规模的高温超导研究热潮。1987年初，中国科学院物理研究所的赵忠贤（1991年当选为中国科学院院士，获2016年度国家最高科学技术奖）等学者发现了钡钇铜氧，与钡镧铜氧只差了一个元素。换过“钇”这一元素后，材料的临界温度奇迹般地达到93K（-180℃），突破了液氮温区，证明麦克米兰极限（美国物理学家麦克米兰断定，一般超导体的临界转变温度不超过40K，即-233℃）被突破了。

　　2008年，日本科学家细野秀雄发现了一种铁基超导体：镧氧铁砷氟。这种材料的超导温度可达26K（-247℃）。同年3月,中国科学家发现把镧氧铁砷氟中的镧换成一系列稀土后，超导温度可达55K（-218℃）。从26K到55K是一个质的飞跃，意味着新一代高温超导体——铁基高温超导体的诞生。

　　铜的氧化物超导体、铁基超导体的发现者虽然是外国科学家，但是在“两大家族”成员的发现中，中国科学家功不可没。

　　然而，最理想的超导体还是室温超导。为寻觅300K（27℃）以上的超导体，物理学家尝试过1万多种有机材料、无机材料，至今未果。

为什么室温超导的发现之路如此艰难？

　　一位物理学家解释道，从微观上揭示常规超导（低温超导）奥秘的经典理论，是1957年由巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.V.Cooper)、施里弗(J.R.Schrieffer)三人提出的“BCS（三人名字首字母命名）理论”，其核心思想是电子-声子耦合与电子配对。因此低温超导能够非常好地解释性质、进行计算。但当以铜的氧化物超导为代表的高温超导被发现后，“BCS理论”就不再适用。“因为BCS理论无法解释非常规的高温超导现象。关于高温超导的机理，我们还不知道。就好比配药，作用机理还不明了，怎么确定成分、怎么配比，随机性太大，如同大海捞针。”

　　长期从事超导研究的中国科学院物理研究所研究员罗会仟认为，寻找室温超导材料大致有三条路径：一是合成新材料，这一方式进展最缓慢、难度最大；二是改进现有材料，如改进现有铜的氧化物高温超导材料的质量，对其进行化学掺杂等改造，以期获得更高临界温度的超导体；三是特殊条件调控材料，如利用高温、高压、磁场、光场、电场等方式调控材料的状态，在更高温度下实现超导态。

　　同时，也有不止一名受访物理学家表示“甚至怀疑室温超导体是否真的存在”。

　　本世纪初，中国的超导研究还是跟随者姿态。罗会仟、北京大学量子材料科学中心教授贾爽等学者表示，变化发生在2008年前后，这一年中国在高温超导领域有了重大突破。铁基超导出现后，中国科学家开始赶超。许多新的铁基超导材料、超导机理方面的物性研究，均有中国科学家的贡献。时至今日，中国在超导材料和机理等方面的研究处在全球前列。今年，中山大学王猛教授团队在国际上率先发现液氮温区镍的氧化物超导体，为破解高温超导机理带来希望……

　　未来，室温超导的发现之路还会牵动全球科学家的心。毫无疑问，“LK-99式”反转还会再来。正如“发现问题是简单的，解决问题要难上一百倍”，比做“测试员”更有价值的是做“发现者”，比起告诉大家“那条路不对”，远不如告诉大家“哪条路可以”。

来源：2023年8月23日出版的《环球》杂志 第17期

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