疑點尚存的室溫超導(dǎo)萬一為真，就能點燃科技革命嗎

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：羅會仟

撰文 | 羅會仟（中國科學(xué)院物理研究所研究員）

2023 年 3 月 8 日，一則“大新聞”同時點爆了科技界和金融界的敏感神經(jīng)。來自美國羅切斯特大學(xué)的迪亞斯（Ranga Dias）等人在美國物理學(xué)會三月會議上宣布發(fā)現(xiàn)“近常壓室溫超導(dǎo)”材料，一種由镥-氮-氫 （Lu-N-H）構(gòu)成的三元化合物，在 1 萬個大氣壓下（1GPa 或 10 kbar）可以實現(xiàn)最高溫度為 294 K（即 21°C）的超導(dǎo)電性。3 月 9 日，Nature 同步上線 Dias 團隊的論文，題目為“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride（氮摻雜镥氫化物中近常壓超導(dǎo)電性證據(jù)）”[1]，同期發(fā)表科研同行的 News & Views 文章“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain (室溫超導(dǎo)電性燃起新希望，但質(zhì)疑仍然存在) ”[2] 。Science 也同步上線了一篇評述文章“‘Revolutionary’ blue crystal resurrects hope of room temperature superconductivity（革命性“藍色晶體”重燃室溫超導(dǎo)新希望）” （圖 1）[3]。一時間，業(yè)界驚呼，常壓室溫超導(dǎo)有希望了！未來能源和電力技術(shù)革命即將到來！然而，驚喜之余，科研同行們卻是非常冷靜地看待這件事情。

Nature 因何再度接收論文

的確，“室溫超導(dǎo)”已經(jīng)不再是第一次“狼來了”。而上一次關(guān)于“室溫超導(dǎo)”的報道在 2020 年 10 月 14 日，Nature 發(fā)表了題為“碳氫硫化物中室溫超導(dǎo)電性”的論文，論文一共 9 位作者，其中通訊作者就是 R. P. Dias[4]。這 9 位作者中，有 6 位和 2023 年這篇論文的作者重疊。那一次的“室溫超導(dǎo)”，受到領(lǐng)域內(nèi)諸多科學(xué)家的嚴(yán)重質(zhì)疑，前后爭議 2 年的時間，相關(guān)作者最終沒有拿出令人信服的證據(jù)，業(yè)界沒有人能夠重復(fù)出他們的結(jié)果。Nature 編輯部于 2022 年 9 月 26 日做出了撤稿決定，即便論文的 9 位作者都不同意撤稿。在不到半年的時間里，Nature 又再次接收發(fā)表該團隊的論文，令人驚呼“狼又來了嗎”？而且據(jù)悉，該團隊此前被撤稿的關(guān)于碳氫硫化物超導(dǎo)的工作，在不久之前（2023 年 2 月）又被他們自己“重復(fù)驗證”了，相關(guān)論文已經(jīng)投稿 [5]。關(guān)于這一次的“室溫超導(dǎo)”是真是假，顯然科研圈懷疑的聲音要遠大于相信的聲音。

在這篇論文中，Dias 團隊給出了 Lu-N-H 化合物的多個超導(dǎo)證據(jù)：1. 零電阻效應(yīng)，即材料到達一定溫度以下電阻降到絕對的零；2.抗磁性效應(yīng)，即材料進入超導(dǎo)狀態(tài)之后，可以抵御外磁場的侵入，形成負的磁化率；3. 比熱躍變，即材料在發(fā)生超導(dǎo)相變的時候，比熱存在不連續(xù)的躍變，這是熱力學(xué)二級相變的典型特征 （圖 2）。一般來說，有這三點證據(jù)，足以判斷材料的超導(dǎo)電性。此外，論文還給出了材料的 X 射線衍射和拉曼光譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合理論計算推測了材料的基本結(jié)構(gòu)?？梢哉f，“證據(jù)鏈”十分完整！論文在 Nature 的網(wǎng)頁上還給出了大部分原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的步驟方法，有興趣的讀者可以自行去下載驗證。從這些角度來看，似乎種種暗示“狼真的來了”！

若干疑點

但令業(yè)界十分困惑的是他的數(shù)據(jù)結(jié)論，這個材料竟然在壓力 30 kbar 以下就已經(jīng)有 200 K 以上的超導(dǎo)電性了，而且壓力越低，超導(dǎo)臨界溫度 Tc 越高！最高的臨界溫度在 10 kbar 左右達到 294 K，此后更低壓力下超導(dǎo)溫度下降到 100 K 以下（圖 3a）。更匪夷所思的是，這個材料在常壓是藍色的小晶體，加壓之后會變成粉色，最后變成了紅色，和傳統(tǒng)金屬氫化物超導(dǎo)體觀測到的黑色樣品完全不一樣（圖 3b）。如此反常的溫度-壓力相圖和奇怪的顏色變化，令人十分狐疑。而且，論文中給出的分子式里，Lu 和 N 的比例幾乎是 1:1，H 的含量只有 3 左右，這和大家熟悉的稀土氫化物含 H 在 5 和 6 甚至更多的情況不符。在 H 含量如此低的情況下，根據(jù)他們給出的材料結(jié)構(gòu)，H 原子的間距還很大，幾乎可以排除是來自 H 元素本身（類似金屬氫或此前發(fā)現(xiàn)的 LaH₁₀）的超導(dǎo)。這些奇特的現(xiàn)象，令人似乎覺得“即使這個材料超導(dǎo)是真的，也不太像是傳統(tǒng)的 BCS 超導(dǎo)體了。”

當(dāng)然，業(yè)界的質(zhì)疑不僅限于此，有人還對他們公布的原始數(shù)據(jù)進行了簡單分析，發(fā)現(xiàn)他們處理數(shù)據(jù)的過程仍然過于粗糙。例如磁化率數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的抗磁信號，是在一個非常大的背景信號加上一組非常雜亂的測量信號經(jīng)過一定處理才得到的。甚至，如此漂亮的零電阻轉(zhuǎn)變的數(shù)據(jù)，依舊是采取了“扣背景、降噪音”的方法得到的。至于背景如何選取，噪音如何“抹平”，更無從知曉。

萬一實驗成真的幾點理論啟示

當(dāng)然，如果這個研究結(jié)果是真實可靠的，它至少給我們帶來了一些新的啟示：1.室溫超導(dǎo)是完全可以實現(xiàn)的，從實驗上來看，超導(dǎo)材料的臨界溫度，沒有上限！2. 高壓下的氫化合物超導(dǎo)是最有希望找到室溫超導(dǎo)材料的，它們或許不需要諸如百萬級大氣壓的壓力才能實現(xiàn)，在更低的壓力下也有希望；3. 如果能夠進一步降低壓力或者借助材料內(nèi)外的化學(xué)應(yīng)力來實現(xiàn)常壓穩(wěn)定的超導(dǎo)材料，那么所謂“常壓室溫超導(dǎo)材料”就真的實現(xiàn)了！[6]

如果真的發(fā)現(xiàn)常壓室溫超導(dǎo)材料，意味著什么？

意味著科學(xué)家們追逐百余年的夢想，終于實現(xiàn)了！

意味著超導(dǎo)材料的刷新臨界溫度之旅，進入了一個全新的室溫超導(dǎo)新時代！（圖 4）

意味著新世界的物理大門，從此敞開了！

我們盡情可以暢想，常壓室溫超導(dǎo)給我們帶來更多的驚喜，未來似乎一切可期！

萬一成真，就足以點燃科技革命嗎？

顯然，這次“近常壓室溫超導(dǎo)”事件，社會上的反響要遠遠比科研圈熱鬧許多。筆者所知的多家媒體都對該事件特別感興趣，也有許多媒體對超導(dǎo)研究的科學(xué)家們展開了轟炸式的采訪，令人有點不知所措。我們姑且不論這篇論文數(shù)據(jù)真實與否，單純就論文中的發(fā)現(xiàn)，是否真的足以點燃未來科技革命呢？顯然是“過于激動而無法展示”了。原因是：論文里提到的“近常壓”（10 kbar）其實離我們熟悉的常壓（1 bar，即 1 個大氣壓）還遠著呢…… 事實上，一萬個大氣壓，比世界上最深的馬里亞納海溝的壓力，還要強上十倍！如此高的壓力，如何方便規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用？更何況，高壓下制備的樣品量是極少的，大部分是微克、毫克量級，壓力腔大的裝置生產(chǎn)的樣品也不過數(shù)克而已，面對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用達到噸量級的產(chǎn)量，就是一條無法逾越的鴻溝。

此外，科學(xué)家還有幾大材料上需要面臨的現(xiàn)實問題。

首先，常壓室溫超導(dǎo)的實現(xiàn)，是否意味著超導(dǎo)從此能夠較為廉價地規(guī)模化應(yīng)用呢？并非如此！限制超導(dǎo)材料是否能被規(guī)?；瘧?yīng)用的瓶頸，臨界溫度參數(shù)只是其中一個。事實上，超導(dǎo)體還有臨界磁場，大部分超導(dǎo)體還有兩個臨界磁場（上臨界場和下臨界場），一旦突破這個磁場，磁通線將會進入超導(dǎo)體內(nèi)部，造成能量耗散，甚至完全破壞零電阻。不僅如此，超導(dǎo)體還具有臨界電流密度，并非因為電阻為零，稍微加個電壓，電流就可以無窮大。對于特定的超導(dǎo)材料而言，一旦電流密度超過臨界值，那么它就會瞬間“失超”，即產(chǎn)生電阻迅速發(fā)熱快速升溫超導(dǎo)徹底消失。這三個臨界參數(shù)：臨界溫度、臨界磁場和臨界電流，就像扼住了超導(dǎo)應(yīng)用的咽喉，而且很多時候由材料本征特性所決定（圖 5）。所以，光有一個臨界溫度到達室溫的超導(dǎo)體還不夠，還得看它是不是一個具有“三高”臨界參數(shù)的超導(dǎo)體，這一點還需要研究研究。舉例來說，銅氧化物高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)已有近 40 年了，它們臨界溫度也很高，輕松達到 100 K 以上，甚至只需要液氮（77 K）冷卻即可，但是它們規(guī)?；瘡婋姂?yīng)用依舊沒有完全實現(xiàn)，原因之一就是它的下臨界場太低 [7]。

其次，如果找到了“三高”的常壓室溫超導(dǎo)體，是否意味著就好用了呢？未必！因為還要看臨界參數(shù)的具體行為，比如對于大部分超導(dǎo)體，都屬于“第二類超導(dǎo)體”，存在上下兩個臨界場。特別是一些臨界溫度高的超導(dǎo)體，往往臨界場還有很強的“各向異性”。你可以認(rèn)為超導(dǎo)體是一個小薄片，當(dāng)磁場垂直于薄片和平行于薄片的時候，超導(dǎo)的臨界溫度壓制的效果差異幾十甚至上千倍！那么，一旦磁場達到其中最低的臨界場的時候，超導(dǎo)的完全抗磁性甚至零電阻特性就被破壞掉了。情況是如此糟糕，這意味著決定強電應(yīng)用天花板的，不是參數(shù)的上限，而是參數(shù)的下限。所以，即使銅氧化物的上臨界場在 100 甚至 200 多 T 以上，但是它在另一個方向的上臨界場可以低到 1T 以下，而對于下臨界場，甚至可以低到僅僅 0.01 T 以下。試想，稍微加一點磁場，還沒開始用呢，磁通線就穿透進去了，它在里面的運動又很難預(yù)測，有各種豐富的組態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、塑性態(tài)、玻璃態(tài)等），在更高磁場下，超導(dǎo)材料的可靠性就動搖了（圖 6）[8]。

再者，如果我們找到綜合臨界參數(shù)都很好，而且各向異性也很小的常壓室溫超導(dǎo)材料呢？新的問題依舊存在！比如鐵基超導(dǎo)材料，雖然它們的臨界溫度不如銅氧化物高，但是它們的臨界磁場依舊很高，可以達到幾十甚至上百 T，而且在低溫下幾乎是各向同性的。顯然，鐵基超導(dǎo)看起來是十分合適的應(yīng)用材料，更優(yōu)越之處在于，鐵基超導(dǎo)承載電流的能力在強磁場下不怎么退化，而且經(jīng)受幾次升降溫之后，它依舊能保持良好的性能。只是遺憾的是，目前的鐵基超導(dǎo)材料臨界電流密度指標(biāo)并不高，而且產(chǎn)能尚處于實驗室應(yīng)用的階段，未來還需要進一步努力（圖 7）[9]。即使克服了物理因素的制約，鐵基超導(dǎo)材料還要面臨化學(xué)因素的制約 —— 大部分鐵基超導(dǎo)體都是含有堿金屬或堿土金屬的砷化物，怕空氣、怕水、還有毒，一旦規(guī)?；苽洌@些安全隱患需要想辦法去克服。

最后，如果以上條件都克服了呢？這樣的常壓室溫超導(dǎo)體，該好用了吧？也還未必！我們還以銅氧化物材料為例，假設(shè)類似材料都克服了以上困難，在銅氧化物材料中還有一個困難，那就是作為陶瓷類材料的銅氧化物十分脆弱，力學(xué)機械性能很差。因此，直接使用銅氧化物材料做線材是不現(xiàn)實的，很難成型不說，基本上無法在各種卷曲纏繞下仍然保持良好的載流性能。當(dāng)然，幾十年來，科學(xué)家做了非常多的努力。主要有兩個途徑：粉末套管法和基帶鍍膜法。前者把超導(dǎo)粉末套進金屬管子中，然后再拉成線材，并經(jīng)過熱處理提高超導(dǎo)性能。后者借助一條薄金屬基帶，通過各種緩沖層和保護層，把超導(dǎo)材料鍍上基帶中間一層，基帶厚度約 100 μm，超導(dǎo)層厚度約 1 μm（圖 8）。最終人們發(fā)現(xiàn)，銅氧化物超導(dǎo)線帶材的成本最大部分根本不是超導(dǎo)材料本身，而是所使用的金屬套管或金屬基帶，加之后面還需要熱處理的各類工藝，成品率并不是很好 [6]。所以，如果有了常壓室溫超導(dǎo)體，我們還更希望它是一個類似具有金屬延展性和韌性的材料。

以上舉的例子，只是關(guān)于超導(dǎo)的強電應(yīng)用。在超導(dǎo)的弱電應(yīng)用方面，即使實現(xiàn)了常壓室溫超導(dǎo)體，除了普遍的“三高”臨界參數(shù)外，我們還希望它是具有阻抗性能好、相干長度大、對空氣不敏感、易于進行微納尺度加工等特點。這同樣是往往很難兼顧的。

所以，在如今人們其實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬種超導(dǎo)材料，臨界溫度在 20 K 以上的超導(dǎo)材料也有不少，但是超導(dǎo)強電應(yīng)用方面最普遍使用的還是傳統(tǒng)的 Nb-Ti 合金，其強度、韌性、可重復(fù)性都非常優(yōu)越，但超導(dǎo)溫度在 9 K 以下，遠遠低于室溫！其次，還有 Nb₃Sn、Nb₃Ge、Nb₃Al 等，超導(dǎo)溫度也不超過 24 K！而在超導(dǎo)弱電應(yīng)用方面，超導(dǎo)量子計算機的芯片大部分用的都是鋁，或者用鈮，超導(dǎo)諧振腔里基本上用的都是純 Nb，超導(dǎo)的單光子探測器用 NbN 等，這些材料的超導(dǎo)溫度均不超過 20 K，僅有超導(dǎo)濾波器和太赫茲探測器等用到了高溫超導(dǎo)薄膜。傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，人們發(fā)現(xiàn) MgB₂ 的臨界溫度可達 39 K，但是它的臨界參數(shù)卻低得可憐，基本上只能用于 3 T 以下的應(yīng)用場景，而且材料的硬度太高，不適合加工成型（圖 9）[10]。

我們可以設(shè)想，即便是有了常壓室溫超導(dǎo)材料，超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用，雖然前景變得更加光明，但依舊“道阻且長”。也正是如此，對于超導(dǎo)材料的探索、超導(dǎo)機理的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，需要持續(xù)不斷地努力，最終才能篩選出在各種應(yīng)用場景最合適的材料。對于特定的材料而言，它具有的豐富物性需要充分挖掘，世界上沒有“不好用”的材料，只有你“不會用”的材料！材料探索就像在電子的海洋里釣魚一樣，釣上來的魚奇形怪狀，卻各有用途（圖 10）[6]。

在這一波的“室溫超導(dǎo)”熱里，希望大家保持清醒冷靜的頭腦，堅持理性分析的態(tài)度，最終以事實為基準(zhǔn)判斷。超導(dǎo)的探索在未來依舊會充滿驚喜，希望大家能夠保持對基礎(chǔ)研究的關(guān)注度，多了解研究的內(nèi)涵，而不是看完新聞就問“這研究有什么用？”。多讀讀關(guān)于超導(dǎo)介紹的書籍，你會有更大的收獲 (圖 11)?。ㄈ耐辏?/p>

參考文獻

• [1] N. Dasenbrock-Gammon et al., Nature 615, 244 (2023).

• [2] C. Jin and D. Ceperley, Nature 615, 221 (2023).

• [3] Science News, DOI: 10.1126/science.adh4968

• [4] E. Snider et al., Nature 586, 373(2020).

• [5] H. Pasan et al., arXiv: 2302.08622.

• [6] 羅會仟 著，《超導(dǎo)“小時代”—— 超導(dǎo)的前世、今生和未來》(清華大學(xué)出版社 2022).

• [7] 聞?；?，物理，2006, 35 (01): 16-26 及 35 (02): 111-124.

• [8] 張裕恒，超導(dǎo)物理，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

• [9] H. Hosono et al. Mater.Today 21, 278-302 (2018).

• [10] C. Buzea, T. Yamashita, Supercond.Sci.Technol. 14, 115-146 (2001).

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