科幻電影《阿凡達》里的室溫超導(dǎo)體“Unobtanium”

今年3月和6月，著名的科研論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org先后貼出了兩篇論文，號稱發(fā)現(xiàn)了373K的超導(dǎo)體和350K的超導(dǎo)跡象。有人對室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歡呼雀躍，然而科學家們反映卻異常冷淡。

在科幻電影《阿凡達》里，人們?yōu)榱碎_發(fā)潘多拉星球上的寶貴資源不惜一切代價大老遠跑到外星球去，究竟挖什么寶貝呢？電影里揭秘道，它是一種地球上沒有的神奇室溫超導(dǎo)礦石。這室溫超導(dǎo)體具有異常強大的力量，以至于依賴潘多拉星磁場就足以懸浮起含有這類礦石的一座座“哈利路亞”大山，其經(jīng)濟價值無可估量。

今年三月和六月，著名的科研論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org先后貼出了兩篇論文，號稱發(fā)現(xiàn)了373K的超導(dǎo)體和350K的超導(dǎo)跡象。從科學定義上，一般認為300K就是室溫（0℃相當于273K，300K則相當于27℃）。因此，373K和350K都高于室溫，這是否意味著室溫超導(dǎo)體就此被發(fā)現(xiàn)了呢？對于不做超導(dǎo)研究的公眾來說，部分是將信將疑，部分是歡呼雀躍。

然而，在國內(nèi)外絕大多數(shù)超導(dǎo)科研者眼中，這兩篇論文根本不值得一看，且不論其真假與否。換句話說，在任何超導(dǎo)國際會議中，沒有一個人會提這茬。

為什么科學家對室溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，會反映如此冷淡呢？

超導(dǎo)到底是個啥

要說室溫超導(dǎo)是啥，先得回答什么是超導(dǎo)。從字面意思上，超導(dǎo)就是超級導(dǎo)電之意。

超導(dǎo)體導(dǎo)電能力有多強？在一定溫度（定義為超導(dǎo)臨界溫度）之下，超導(dǎo)體電阻為零。盡管嚴格意義上的零電阻無法測量出來，但是精確實驗表明，超導(dǎo)材料的電阻率要比導(dǎo)電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等要整整低了10個數(shù)量級。

這意味著，在閉合超導(dǎo)線圈中感應(yīng)出1A的電流，需要近一千億年才能衰減掉，比我們宇宙的年齡138億年還要長。因此，我們有充分的理由認為超導(dǎo)態(tài)下電阻為零。

形成神奇的零電阻態(tài)同時，超導(dǎo)體還“修煉”成了另一種神奇的“金鐘罩鐵布衫之功”——可以把體內(nèi)的所有磁力線排出外面，體內(nèi)的磁感應(yīng)強度也為零。超導(dǎo)體具有“完全抗磁性”，該效應(yīng)于1933年被德國科學家沃爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)，又被稱為“邁斯納效應(yīng)”。

只有同時具有零電阻效應(yīng)和完全抗磁性這兩大神奇物性的材料，才能從科學意義上稱之為超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)有何用

凡是用得上電的地方，都有超導(dǎo)的用武之地。

超導(dǎo)輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術(shù)中15%左右的損耗，超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機、電動機、限流器以及儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效的電網(wǎng)和電機。利用超導(dǎo)線圈制作的超導(dǎo)磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優(yōu)勢，是高分辨核磁共振成像、基礎(chǔ)科學研究、人工可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)的核心。

歐洲大型強子對撞機上的9300多個超導(dǎo)磁體，就是發(fā)現(xiàn)希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常規(guī)磁懸浮技術(shù)相比，超導(dǎo)磁懸浮列車更為高速、穩(wěn)定和安全，是未來交通工具的重要明星之一。

超導(dǎo)還具有許多復(fù)雜有趣的微觀量子效應(yīng)，利用超導(dǎo)電流的量子干涉效應(yīng)制備的超導(dǎo)量子干涉儀，對外磁場感應(yīng)極其敏感，是目前世界上最靈敏的磁測量儀器?；诔瑢?dǎo)量子干涉儀制備超導(dǎo)量子比特，是未來量子計算中最重要的量子單元，基于量子力學原理實現(xiàn)的高性能計算，將掀起一場新的信息革命。

超導(dǎo)材料阻抗性能好，利用超導(dǎo)體替換常規(guī)金屬做微波器件，具有信噪比高、帶邊抑制明顯、帶寬控制靈活等多個優(yōu)勢。也許您使用的智能手機，其通訊基站就用到了超導(dǎo)濾波器，這些高性能微波器件同樣在軍事設(shè)備、衛(wèi)星通訊、航空航天等領(lǐng)域大有所用。

為何要尋找室溫超導(dǎo)材料

超導(dǎo)長期以來都是基礎(chǔ)物理研究中的一個重要前沿領(lǐng)域。自1911年4月8日，第一個超導(dǎo)體——金屬汞被發(fā)現(xiàn)存在4.2K的超導(dǎo)電性以來，物理學家發(fā)現(xiàn)了大量單質(zhì)和合金超導(dǎo)體，但是它們的超導(dǎo)臨界溫度都很低，此后的75年間探索到的最高臨界超導(dǎo)溫度為23.2K。

如此低的超導(dǎo)溫度意味著，實現(xiàn)超導(dǎo)應(yīng)用必須依賴于昂貴的低溫液體——如液氦等來維持低溫環(huán)境。這導(dǎo)致超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，維持低溫的成本甚至遠遠超過了材料本身的價值。尋找更高臨界溫度，特別是液氮溫區(qū)(77K)以上的可實用化超導(dǎo)材料，成為材料探索的重要目標。

1986年瑞士蘇黎世IBM公司的柏諾茲和繆勒在銅氧化物體系發(fā)現(xiàn)了35K的超導(dǎo)。在中美等國科學家的推動下，該記錄在五年內(nèi)不斷刷新，于1994年左右創(chuàng)造了常壓下135K、高壓下164K的臨界溫度新記錄。然而，銅氧化物高溫超導(dǎo)材料屬于氧化物陶瓷，缺乏柔韌性和延展性，容易在承載大電流時失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱，應(yīng)用起來存在許多技術(shù)難度。而且，其物理性質(zhì)極其復(fù)雜，難以被現(xiàn)有理論框架解釋。尋找新型的高溫超導(dǎo)體，勢在必行。

2008年2月23日日本科學家報道了鐵砷化物體系中存在26K的超導(dǎo)電性。在中國科學家的努力下，這類材料的超導(dǎo)臨界溫度很快就突破了40K，在塊體材料中實現(xiàn)了55K的高溫超導(dǎo)電性。新一代高溫超導(dǎo)家族——鐵基超導(dǎo)就此宣告發(fā)現(xiàn)。只是這類超導(dǎo)體大都含砷或堿金屬，不僅有毒而且對空氣敏感，應(yīng)用方面同樣存在不少局限性。

高于40K以上的超導(dǎo)體又被稱之為高溫超導(dǎo)體，銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體，是目前發(fā)現(xiàn)了僅有的兩大高溫超導(dǎo)家族。

盡管人們在單質(zhì)金屬、合金、氧化物、甚至有機物中都發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性，人們一直渴望尋找到室溫下的實用超導(dǎo)體。關(guān)于室溫超導(dǎo)的夢想，一直沒有間斷過。美國、中國、日本等國科學家都曾先后立項探索室溫超導(dǎo)體，日本更是提出了尋找400K以上超導(dǎo)體的遠景目標。

室溫超導(dǎo)有可能實現(xiàn)嗎

2016年是高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)30周年，隨著鐵基超導(dǎo)、硫化氫超導(dǎo)等的被發(fā)現(xiàn)，尋找室溫超導(dǎo)似乎已經(jīng)水到渠成。新的室溫超導(dǎo)體仿佛已經(jīng)向人類發(fā)出了召喚，同時又“猶抱琵琶半遮面”。

今年3月4日，有一作者在arXiv貼出了一篇題為“373K超導(dǎo)體”的論文。令人奇怪的是，作者的單位就叫做“私密研究所-373K超導(dǎo)體”，一查才發(fā)現(xiàn)原來是他注冊了一個公司就叫做“373K超導(dǎo)體”！更令人狐疑的是，通篇論文未提該“超導(dǎo)材料”的化學式或者合成方式；盡管都有零電阻和抗磁性的實驗數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)“看起來特別真實”，數(shù)據(jù)質(zhì)量卻非常糟糕，不少所謂“磁懸浮”的圖片都用來當做證據(jù)之一。在絕大多數(shù)專業(yè)從事超導(dǎo)研究人員看來，這不是一篇合格的學術(shù)論文。

無獨有偶，6月30日，又有德國人在arXiv貼出了關(guān)于石墨晶體中存在350K超導(dǎo)跡象的論文。相比3月份的論文，這篇論文數(shù)據(jù)顯得更為詳實系統(tǒng)，似乎預(yù)示著室溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)不遠了。這次不同是，他們詳細指出樣品來自巴西某礦產(chǎn)的石墨晶體。理論上，石墨烯中是否存在室溫超導(dǎo)電性，一直以來是爭議的一個焦點之一。因為石墨烯中電子運動速度極快，甚至需要用相對論化的狄拉克方程來描述，而不是簡單的薛定諤方程，那么一旦實現(xiàn)超導(dǎo)，就可能意味著很高的臨界溫度。細讀這篇論文，就會發(fā)現(xiàn)結(jié)論并非那么可靠，因為所有的實驗數(shù)據(jù)就沒有出現(xiàn)真正意義上的零電阻態(tài)，完全抗磁性也沒有。作者所謂的“超導(dǎo)證據(jù)”，只是電阻在350K存在一個輕微的下降，并會響應(yīng)磁場的變化，這種可能性其實有很多，完全可以和超導(dǎo)沒有關(guān)系。

室溫超導(dǎo)之路，漫漫其修遠兮。

期待真的有室溫超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)的那一天?；蛟S那時，我們可以在家里舒舒服服地躺在室溫超導(dǎo)磁懸浮沙發(fā)上休息，也可以午飯后坐上時速3000 公里以上的真空管道超導(dǎo)磁懸浮列車去巴黎喂個鴿子，還可以在辦公室隨時弄個核磁共振成像監(jiān)測身體內(nèi)部的變化。

畢竟，夢想還是要有的，萬一哪天被實現(xiàn)了呢？

稿件來源：科學大院（中科院官方科普微信號）

作者：羅會仟（中科院物理研究所）

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證實室溫超導(dǎo)體是個難事

盡管大部分科學家都堅信室溫超導(dǎo)體的存在，但真正要100%確認一個室溫超導(dǎo)體，卻從來不是件容易的事兒。

      和實驗物理學家的小心謹慎不同，理論物理學家的預(yù)言往往比較大膽。在不違反已知物理原理基礎(chǔ)上，理論預(yù)言可能的室溫超導(dǎo)體還是不少的，其中典型代表之一是金屬氫。

令實驗物理學家郁悶的是，他們不斷努力改進實驗裝置，通過金剛石對頂壓砧把壓力提高到了325萬個大氣壓，固態(tài)金屬氫終于在2015年被成功實現(xiàn)。如此高的壓力，已經(jīng)接近地心內(nèi)部壓力(360GPa)了，這時氫分子早已被打斷成了單個氫原子，但卻沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性。

十分有趣的是，包括中國的研究人員在內(nèi)的科學家還從理論上預(yù)言氫的化合物H2S-H2體系在高壓下可能實現(xiàn)191K的高溫超導(dǎo)，將突破銅氧化物中164K的臨界溫度記錄。同在2015年，德國科學家A.P.Drozdov等人宣稱在硫化氫中發(fā)現(xiàn)了203K的超導(dǎo)電性，距離300K的室溫，幾乎一步之遙。只是，條件同樣非?？量?mdash;—要在200萬個大氣壓下(200GPa)才可以。實驗技術(shù)難度非常之大，要在低溫狀態(tài)下把極其容易爆炸的硫化氫通入金剛石壓砧裝置，還要能夠在超高壓下測量其電阻和磁化率。

       論文于2014年12月1日貼到預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，歷經(jīng)半年多后才投稿到了Nature雜志上。據(jù)說，為了避免前車之鑒，這半年時間內(nèi)，Nature雜志預(yù)先請了一個專家團到德國的實驗室去，要求查看所有的原始實驗記錄，并實地重復(fù)出實驗結(jié)果。在保證零電阻結(jié)果可靠性之后，專家團還要求他們進行了完全抗磁性的測量，最終確立了200K以上超導(dǎo)的準確性，才允許投稿，并且花了近一個月時間審稿才被接收。后來，論文中的若干現(xiàn)象被日本和中國科學家重復(fù)實驗證實，科學界才慢慢接受這個結(jié)果，在此之前，幾乎所有人對Drozdov的學術(shù)報告反應(yīng)都顯得冷淡。200K超導(dǎo)，看上去很美，但在如此高壓下卻難以實用。