物理学百年“圣杯”室温超导，距离我们到底有多远？
作者｜崔玉贤出品｜科技《态℃》栏目室温超导，这个被认为是凝聚态物理学界的“圣杯”，可以冲击诺奖的研究真的到来了吗？近日，美国罗切斯特大学物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队宣称，创造出了能够在室温条件下实现超导的新材料。这就像一颗雷平地炸响，震动了物理圈。要知道，室温超导如果可以实现，而且真的走向了人类生活，那么，整个世界将会改变。室温超导将会颠覆能源科技，电力传输效率大大提升，常温量子计算机、高速超导磁悬浮、可控核聚变装置、超级超导发动机等等将不再是梦想。然而，在外界看来这则“爆炸性消息”，物理领域研究人员则非常理性。中国科学院物理研究所研究员罗会仟在连线科技直播时表示，大家反应比较平淡。首先，迪亚斯的这次报告已经在去年（2022年）小型会议上做过交流，圈内少部分人已经知道；其次，在这次报告之前，大家已经看到报告题目和摘要，也已经知道他要讲什么内容；更重要的是，迪亚斯此前已经做过类似实验，大家更多是抱着一种看热闹的心态，看看实验是否可信之类的。要知道，迪亚斯以及团队一直以来争议缠身：2020年Dias就宣布可以实现室温超导，还登上了Nature封面，随后两年 围绕该实验的结果争议不断，其他实验室反复尝试，都未能复现结果，因此，不断有物理学家质疑数据结果的合理性，2022年9月，Nature不顾作者的抗议强行撤稿；另外一件则是迪亚斯在哈佛读博士后期间发表的一篇论文也惹出过麻烦，他们宣布合成出了首个金属氢材料，论文发表在了Science，但是论文发表后，团队称由于操作失误，该金属氢样本已经损毁，其他研究组也未能重复出相关结果。因此，对于迪亚斯的这次实验结果，媒体也撰文：让子弹再飞一会。那么，要飞多久才能知道真伪呢？罗会仟表示，可能需要几周或者一两个月的时间，当然也可能更快，或将有实验室能完成对这项工作的验证。即使迪亚斯的实验被验证是正确的，也并不像迪亚斯所说一定会是重塑21世纪的革命性技术。罗会仟表示，大家不用太激动，离革命性技术还是挺远的，一个新材料从出现到大规模使用距离还是非常遥远的。“一种超导材料要想被应用，临界温度、临界磁场和临界电流密度都很重要，三个参数都要高，才能具备大规模应用的基础。”罗会仟表示，“而且除此之外，要想大规模商用，还要面临着很多指标考核，比如机械性要很好，化学稳定性高，材料成本等等。”对于室温超导来说，目前最大的障碍是来自两个方面：一是基于现有常规BCS理论预言的氢化物超导体往往需要超高的压力才能实现，技术挑战太大了；二是人类对非常规超导机理的认识还是很不完善的，寻找超导新材料很多时候相当于两眼一抹黑，只凭着自己的感觉在做事情。相比发现室温超导新材料，罗会仟认为能够发现新现象和新物理，最终帮助解释非常规超导机理等才是基础科学研究最关心的，能对整个物理学框架的发展做出重要贡献。对于网民来说，相比迪亚斯的发现，可能更关心的是中国在超导方面的进展和地位。罗会仟表示，中国在超导方面的基础研究基本上是走在世界前列的，可能还没做到最好，但我们敢说中国已经非常厉害了。以下为科技连线中国科学院物理研究所研究员罗会仟纪要部分内容：科技：近日，美国兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队宣称创造出了能够在室温条件下实现超导的超导体。在您看到这个消息的时候，第一感想如何？罗会仟：其实我们当时反应还是比较平淡的。实际上兰加·迪亚斯在去年一个小型的会议上就已经公布了，只是圈内少部分知道。在此次报告之前，大家是可以看到他的报告题目和报告摘要的，也可以猜出来他要讲什么内容。另外，此前兰加·迪亚斯也做过一些相关体系的报道，所以大家更多是一种看热闹的状态，就想看看这到底是什么东西，实验可不可信等等之类的。科技：迪亚斯实现的21摄氏度+1万个大气压，这个指标是突破性的吗？是有意义的吗？罗会仟：迪亚斯找到了一种由镥-氮-氢（Lu-N-H）构成的新材料，有三个元素组成，这条路线实际上在2019年左右就已经开始了。但一般稀土镥+氢化物要实现超导的话，最起码都是几百个GPa，也就是几百万个大气压的情况下才可以实现。所以，他的工作如果是准确的话，能够在1GPa大气压左右实现的话，相比几百个已经降低很多了，但依旧是属于高压范畴。1GPa与常压相比还差的很远。举个例子，地球最大压力也就在马里亚纳海沟，大概是11000米的深度，相当于1100个大气压，还不到1万个大气压，所以，1万个大气压压力还是非常大的。科技：现在已经有很多物理团队在重复做这个实验了吗？罗会仟：据我所知，肯定是有很多团队可以做的。因为以前此类材料实现超导要求达到几百万个大气压，尤其是400万甚至500万的大气压，全世界没有几个研究所可以做这样的事情。因为实在是挑战性太大，它涉及到方方面面，实验技术、实验经验、实验成本等等都非常重要。如果今天1GPa大气压就能实现室温超导，就意味着很多实验室都能够实现，比如很多商业化的高压设备就能够实现，这些设备非常轻松地达到2-3个大气压都是没有任何问题的。所以，在这种情况下，如果大家都按照他的路线去做，应该是很容易实现的，几乎所有超导实验室，只要愿意花点钱买设备，就可以开始验证工作。但是到底谁在做验证工作，我也不是很清楚。在3月9日，3月14日arxiv张贴了两篇文章，都是来自我的同事的工作，涉及镥-氢化物的超导电性探索。严格意义上来讲，他们的工作不能算是对迪亚斯实验的验证。因为稀土氢化物这条路线在2019年就已经出现了，业界已经开始朝着这条路线去努力。也即在高温高压下合成，然后到几百个大气压下去寻找超导电性。而且，这两篇文章里的材料都不含氮元素。如果大家仔细看迪亚斯这次实验的报道的话，可以发现虽然没有具体参数，但可以看到氮的含量是很高的，而不是像之前所谓的掺杂一点进去，如果仔细看它的分子结构，大概可以猜出来镥和氢的含量基本接近1:1了，含量很高了，在这样的情况下就不是掺杂了，而是合成的了一个新材料。但到底有没有这种结构，还是个问题。大家朝着这个方向走才是完全重复他的路线。科技：一般对物理学家来说，需要重复多少次或者多长时间才能证明这个实验的真伪呢？罗会仟：重复性验证是非常重要的，不能说你验证过一次还是验证过两次，就算重复了。首先你本身就要进行重复性实验，在这个基础上，进行发表。然后，将实验条件、方案公开之后，被人照着方案做一遍，基本上能够做出来，进行验证是非常重要的。举个例子，当时硫化氢超导出来的时候温度也是很高的，202 K是非常惊人的，因为当时之前最高记录高压下的超导体，也就是铜氧化物大概是高压下164 K或者说165 K，然后突然之间来了个200 K以上，也是比较震惊的一件事情。但当时业界对这件事反应也非常平淡，直到一年时间之后才真正热起来。这是非常有趣的现象。为什么呢？因为当时硫化氢超导出来之后，虽然最后发表了论文，但一开始文章里的数据质量并不好，大家都是持一个怀疑观望的态度，尤其是结果能不能被重复，大家就打了一个问号。经过了半年时间，《Nature》专门派了一个专家团队去研究组，要求将实验记录都能够通过，并且补充磁化率的数据。虽然非常困难，但最终还是补充出来了。还有一个非常重要的事，就是当时其他国家的科学家，至少重复了一大半的结果，比如在100万的大气压以下数据基本100%重复了，再往上的话，实验难度比较大，结果各有不同，算是基本上验证了它的结果。在经过很多重复的结果之后，大家才慢慢接受这个事情，所以需要一个过程。科技：刚刚您也提到，很多科学家会重复做这个实验，推断相关成分，这次迪亚斯没有公布相关成分，这是一种常态吗？罗会仟：我觉得这是科学家自己的自由。我们也经常听到过这种事情，甚至有些科学家会在投稿的时候都不会给出具体的分子式，只给数据，论文接收以后再告诉是什么具体材料，他有这方面的权利。当然，作为审稿人也有权利，如果作者不公布具体分子式，可以选择拒绝稿件。这是双方面的判断。相比于上一次C-S-H的工作，这次工作不仅给出了元素组成，而且给了一个大致的分子式和材料结构，已经算是公开了不少信息了。一般来说，特别高压的情况下，搞不清楚材料的结构是很正常的，结果实在是太多。材料本身在压的过程中形成新的结构，也可能会分解，分解之后不同结构的材料混在一起，就搞不清楚超导的出现到底是谁取主导，是很难判断的。但迪亚斯实验的压力没那么高，只有一个1GPa，原则上不超过10万个大气压的情况下，测结构相对来说容易一些，但要想立刻精确地给出分子式也不是大家想象中的那么容易，这是为何他的分子式里有两个变量的可能原因。科技：如果迪亚斯实验最终被验证是真实的，会不会像迪亚斯所说是重塑21世纪的一项革命性技术？罗会仟：我觉得大家不用太激动，革命性的技术还是挺远的。一个新材料的出现，能不能被大规模的使用距离是非常遥远的。目前为止我们发现的超导材料至少有1万多种，甚至更多。我们的无机材料可能有几十万种，其中至少有上万个都是超导材料。所以超导材料没有那么特殊的，目前为止我们知道有两类高温超导体，也即临界温度能够超过40 K以上的超导材料，我们有两类：铜氧化物和铁基超导材料，当然这里每一类里面都有许多种材料。这样的话意味着高临界温度的超导体其实是可以有很多的。超导材料有这么多，但是技术层面上可以大规模应用的材料是什么呢？还是大概几十年前发现的，主要是所谓的铌-钛合金，然后再更进一步是铌三锡，然后还有铌三锗之类的，在那么多材料中，就挑选了这么几个，为什么呢？因为只有这几个特别好用，虽然超导温度低到9 K以下，但机械性能特别皮实，其他的超导材料都不是很好用。对于刚刚发现的新材料，可能绝大部分情况下是不能用的，因为涉及到的条件、参数实在是太多了。退一步说，先不管这个材料本身，假设迪亚斯的这个材料是可以找到的，也能够被重复的，各项性能指标也都很好。但也要注意，合成这个材料依旧还是高压。那金刚石对顶砧里面的样品含量大概也就微克量级。如果想要应用的话，起码得是吨量级，甚至是万吨量级。做一次这种实验，可能要花几十万元，才能得到一毫克的材料，怎么使用？科技：对于超导来说，室温条件更重要，还是高压这个条件更重要？哪个更难实现？罗会仟：确实压力实现更难一点。其实问题这么理解，对于超导材料来说，将临界温度提高到室温，还是说在常压下就能实现室温超导？肯定是没有借助任何压力下，能够到达室温超导是最难的。高压确实会提升超导材料的超导温度，但是它不是对所有的材料都适用的，它对很多材料来讲是降低超导温度的，也是可能的，它既有好处也有坏处的，所以具体是看你研究什么样的材料。科技：实现室温超导目前主要的障碍在哪里？罗会仟：室温超导最大的障碍应该是超导机理方面，前面我提到金属氢化物超导，这类理论是现成的，也就是BCS理论，唯一的挑战就是实验技术。但是对于室温超导来说，我们希望是在常压下实现，而不借助高压，这是我们希望能够看到的。但这方面的理论有没有就是很大的一个问号了。因为根据传统理论，满足BCS理论的金属超导体不可能超过40 K的，是有上限的，我们称之为常规超导体。但目前发现的很多超导体温度都超过40K了，我们称之为高温超导体，包括高温超导体在内，还有一些低于40 K的其他超导体，也是不能被BCS理论所描述的，我们统称它们为非常规超导体。那么有没有新的理论来描述这件事情，非常遗憾，目前还没有。到目前为止还没有合适的非常规超导理论，就更不用谈有没有合适的常压的非常规室温超导理论。这也是前沿探索非常重要的现象，就是很多时候实验探索是先行的。所以我觉得最大的障碍是我们对现有超导机理的认识还不是很完善，远远没有到完善的地步。所以，相当于是两眼一抹黑，只凭自己的感觉在做事情。科技：有人说，谁能够拿下室温超导，谁就拿下了诺贝尔奖，甚至会被认为是牛顿和爱因斯坦之后的物理第三人，您如何认为？这一成果如果被验证，可以和科学界什么发明媲美？罗会仟：这种说法有点夸大，任何基础科研的研究，包括室温超导，它是属于基础科研的一部分，任何基础科学的研究都是一点一滴进展的，任何一个理论，哪怕是爱因斯坦相对论，都不可能是一个瞬间的飞跃，不是一个人一拍脑袋就出来了。这些伟大理论都是借鉴前人的思路慢慢推导出来的。而且这种新的发现要被大家接受，要被大家认为觉得有意义，还有很长的时间。更何况我们提的室温超导事情，它无非表明超导的温度可以不断地提高。科学史上几乎没有这种事情，所以大家不用太激动，自己跟牛顿爱因斯坦去比，哪怕你回到牛顿的当年，是不是突然就发现了万有引力理论，其实也不是，他前面还有伽利略、开普勒、胡克等对行星轨道做了很细致的研究。科技：现在是常温（21摄氏度）了，不过还得1GP下，接下来高压降到什么程度可以商用？罗会仟：商用最起码面临一个问题，就是需要吨量级以上的这种产量，还有一个成品率的问题。总体目标就是将成本降下来。简单的说就是性价比，投入和产出比得合理。投入更低的成本，性能更优越。对于超导体来说，压力高绝对是不行的，几百万个大气压的实验成本已经那么贵了，金刚石一压就碎了，才勉强做出微克量级的样品，怎么能做出吨量级的产品来。即使达到两三万个大气压的那些商业设备，大概是几万块钱一个，但产量仍然是毫克量级。所以大家还是希望压力进一步降低，比如大概几十个大气压就比较容易了。就像大家给自行车打气，轻松打几个大气压，没有任何问题。但同样即使只有10个大气压，要想有成吨量级的生产也是有一定难度的。因为大部分产品除了高压之外，不可避免的要使用到一个高温，因为需要原料充分发生化学反应。这又涉及到更多的实际问题。科技：如果室温超导可以实现，一般从实验室到实际应用大概需要多久呢？罗会仟：我曾经提过，一种超导材料要想被应用，临界温度、临界磁场和临界电流密度都很重要，三个参数都要高，才能具备大规模应用的基础。产业化我们面临的不是指标的上限，面临的是指标的下限。如果一旦突破下限就不是很好用。在应用过程中还会对材料的机械性能要求比较高，总不能放在空间里暴露一段时间就不能用了吧，也不能因为升温降温几轮后性能就不稳定吧，以及材料本身贵不贵的问题。综合下来考虑，我们认为，即使发现了一个常压下室温超导体，也要三个临界参数都非常好才行，能不能用得上估计得几十年的一个历程，还是没那么乐观。科技：室温超导实现之后，到底能够给我们的生活带来怎样的变化？罗会仟：如果我们找到一个材料确实很完美，而且前面提到的各种问题因素已经解决。那么，我们生活里可以用到超导的地方有哪些？我们所有用到电和磁力的地方，通通都可以用上超导体。可以想象，如果真的实现常温常压室温超导，那么或许可以用它来织成一个悬浮云沙发，放在客厅里也是十分惬意的事情。最简单的就是我们的各种电器用上超导体之后就不会发热，手机、电脑、电风扇也不发热，功耗低，能源利用率高，电力稳定性也有保障。我们甚至可以想象，出门汽车也不需要轮子，火车可以挂在轨道下面，没有跟轨道接触也是可以的。宇宙飞船也拥有做一个接近无限续航的超导核聚变发动机。还有我们可以利用超导体的阻抗很好，以及它本身作为宏观量子现象，我们可加以操控做一些量子操作，实现量子计算。所以，将来常压室温超导可以实现的话，肯定会极大地改变我们的生活。科技：中国在超导方面有哪些贡献？目前的进展是怎样的？地位如何？罗会仟：中国物理学家在超导领域，特别是超导的基础研究方面做得是非常出色的。在80年代，非常艰苦的状态下，我们物理所的赵忠贤老师，以他为代表的团队发现液氮温区的超导材料钇钡铜氧。2008年，中国科学家又在高温超导领域有了重大突破。赵忠贤院士带领团队将铁基超导体的临界温度提高到了55K，再一次突破了40 K，说明它属于新一类的高温超导家族，推动中国高温超导研究走在了世界最前沿。铁基超导研究中，很多新的超导结构体系，或者元素体系都来自中国。有了这些高质量样品之后，要研究它的基本的物理性质，然后用某种手段第一次来研究这些材料性质的，基本上都是中国人为主。当然还有理论上对铁基超导材料的认识也是中国人走在最前面的。所以，22009年的时候，Science专门出了一篇报道，标题就叫做新超导体将中国物理学家推向世界最前沿。我记得当时国际上的科学家就特别迫切地想来中国开会，想来知道我们做到什么地步了，是这么一种状态。有了这个带动的话，从08年到今天，中国的超导研究在某些方面，其实基本上保持了世界领先。虽然中国基础科研整体来说还是落后国际前沿的，在某些方面，比如说我们发现新超导材料，很多时候哪怕是国际上刚出现的新材料，他基本的物性研究，基本机理的认识，很多时候都是中国人先开始的，并且是中国人做的最好的，包括应用方面中国也做的很好。像铁基超导材料出来之后，第一根铁基超导的百米级线材是中科院电工所马衍伟老师团队做出来的；铜基超导其实已经几十年了，铜基超导的产业化，中国也有很多公司已经在大规模开始做了，所以各方面中国的超导基础研究都是基本上走在世界前沿的，但是可能是最好的水平还没有做到，但是我们敢说已经是非常厉害了。科技：您认为中国在室温超导方面什么时候可以有突破性进展？罗会仟：超导下一步的突破，其实有三个方面：一个方面就是新材料的，找有没有新的超导材料；第二个就是新的现象，新的材料其实更重要的目标是能不能看见新的现象，那么新的现象它就会给我们带来整个世界新的认知；也就是第三个能不能实现一个新的物理，对于做基础科研来讲其实是最关注的。老百姓可能关注他有什么用，我们最关心他有没有会产生新的物理。新的物理什么意思？就是说用现有的物理的理论框架，最基本的概念，去理解新的现象的话，发现理解不了。实际上这就是超导跟我们带来的最大的一个启示，七八十年发现了很多所谓的非常规超导，到目前为止都不能被理解，也就是出现了很多新现象，那么，这就意味着一个新的物理在里面。这才是挑战物理学基本理论的，如果能够建立起来描述非常规超导的理论，对整个物理学的框架都是一个巨大的贡献。科技：您有本书，超导小时代，非常有趣哈，把超导的发展划分了几个时代。室温超导被划分到了“云梦时代”，超导的发展是不是到了云梦时代就到终点了？这个云梦时代，会带给我们怎样的想象？罗会仟：我希望不是一个顶点，因为我们刚刚开始这个时代。我这本书还出了不同的时代：在启蒙时代里，人们敬畏自然、理解自然，从普通的电磁现象，深入到了物质的内部结构和机制。在金石时代，超导现象被发现，炼丹炒菜外加十八般武艺，初步认识了这个神奇的物理现象。在青木时代里，超导材料大爆发，各种各样的新超导材料，没有做不到，只有想不到。在黑铜时代，高温超导横空出世，物理学皇冠上的明珠，是那么耀眼，纷繁复杂的物理现象，激动人。在白铁时代，铁基超导意外发现，超导家族空前繁荣，非常规超导机理似乎触手可及。在云梦时代，室温超导或许有可能，新超导材料如雨后春笋，超导机理研究不断带来重要其实，如梦想般美好。这个时代能够持续多少年，我们也不知道，还有没有下一个时代，我们也不知道。但科学研究尤其是基础科学研究的发现，总是充满惊喜，总是会不经意间能够冒出来。所以大家一定要对基础科研保持热度和关注。这是非常重要的，不要今天关注了室温超导大新闻，明天就不关注我们了。
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