走進(jìn)科技圈，揭秘室溫超導(dǎo)技術(shù)到底是什么？

室溫超導(dǎo)：突破極限的角力

■楊旭辰 王捷 解放軍報(bào)特約記者 張照星

如果論起2023年度受爭(zhēng)議的科技熱點(diǎn)，室溫超導(dǎo)當(dāng)屬其一。

去年，來(lái)自美國(guó)和韓國(guó)的兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，分別發(fā)表了關(guān)于室溫超導(dǎo)的論文。他們的發(fā)現(xiàn)在世界范圍內(nèi)引起了軒然大波，特別是韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)公布的LK99，引發(fā)了各國(guó)諸多科研機(jī)構(gòu)的復(fù)現(xiàn)潮。當(dāng)然，這兩個(gè)引爆全球的“新發(fā)現(xiàn)”，最終被貼上了“狼來(lái)了”的標(biāo)簽。

雖然室溫超導(dǎo)這陣風(fēng)在社交平臺(tái)上已漸漸平息，但各國(guó)相關(guān)科研人員的研究并沒(méi)有止步。最近，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)也公布了他們這一領(lǐng)域的新的研究進(jìn)展。據(jù)公開(kāi)報(bào)道，中南大學(xué)聯(lián)合華南理工大學(xué)、電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在約零下24攝氏度的條件下，發(fā)現(xiàn)他們制備的材料可能存在超導(dǎo)性。他們的論文，讓室溫超導(dǎo)再一次引起了關(guān)注。

那么，究竟什么是室溫超導(dǎo)？為什么室溫超導(dǎo)如此難以發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證？室溫超導(dǎo)將會(huì)給我們的生活帶來(lái)怎樣的變化？請(qǐng)看相關(guān)解讀。

一個(gè)似乎遙不可及的夢(mèng)想

在介紹室溫超導(dǎo)之前，我們需要先了解一下什么是超導(dǎo)。

超導(dǎo)，顧名思義就是超級(jí)的導(dǎo)電特性。它表現(xiàn)為，在某一臨界溫度下，導(dǎo)體的電阻突然消失。

20世紀(jì)初，隨著制冷技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開(kāi)始深入研究溫度對(duì)物質(zhì)導(dǎo)電性的影響。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在將汞冷卻至4.2開(kāi)爾文（相當(dāng)于零下269攝氏度）時(shí)發(fā)現(xiàn)，其電阻突然消失，這一重要發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了超導(dǎo)現(xiàn)象研究的序幕。

超導(dǎo)材料具有兩個(gè)特殊的性能：零電阻效應(yīng)和完全抗磁性。零電阻效應(yīng)意味著電流在超導(dǎo)體中傳輸時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何熱量；而完全抗磁性則說(shuō)明超導(dǎo)材料具有“金鐘罩”，可以完全排斥體內(nèi)的磁場(chǎng)。如果超導(dǎo)體受到抗磁性產(chǎn)生的排斥力和重力平衡，就可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似科幻電影中的場(chǎng)景，讓超導(dǎo)體懸浮在空中，這也是超導(dǎo)磁懸浮的由來(lái)。

人們一直夢(mèng)想著在日常生活環(huán)境中實(shí)現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)，即在常溫（轉(zhuǎn)變溫度大于零攝氏度）和常壓（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）條件下的超導(dǎo)。如果室溫常壓超導(dǎo)可以成功實(shí)現(xiàn)，它將極大地拓展超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，電力輸送、交通運(yùn)輸、醫(yī)療設(shè)備，甚至是計(jì)算機(jī)科技等各個(gè)領(lǐng)域都將發(fā)生翻天覆地的改變，給人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)革命性影響。

然而，大多數(shù)超導(dǎo)材料在體現(xiàn)超導(dǎo)性時(shí)必須處于低溫或高壓條件下，這嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。

目前，大氣常壓下具有最高超導(dǎo)臨界溫度的材料是汞鋇鈣銅氧陶瓷，其臨界溫度可達(dá)到138開(kāi)爾文（零下135攝氏度）。在高壓情況下，富氫化合物L(fēng)aH10的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到252開(kāi)爾文（零下21攝氏度）。這些都是經(jīng)過(guò)廣泛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的材料體系。

實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)一直是科學(xué)家們追逐的目標(biāo)，它被視為物理領(lǐng)域中的一座巔峰。幾十年來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家為此不遺余力地進(jìn)行探索，絞盡腦汁尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)材料，但收獲寥寥可數(shù)。盡管陸續(xù)有科研團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，但都因沒(méi)有得到廣泛的重復(fù)驗(yàn)證而黯然收?qǐng)觥?/p>

目前，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，室溫超導(dǎo)仍是一個(gè)似乎遙不可及的夢(mèng)想。

一條充滿(mǎn)艱難險(xiǎn)阻的道路

至今，室溫超導(dǎo)材料仍然是一個(gè)撲朔迷離的領(lǐng)域，其主要原因是缺乏對(duì)其理論機(jī)制的合理解釋。科學(xué)家們有點(diǎn)像古代的煉丹師，通過(guò)“開(kāi)爐煉丹”——不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，尋找適合的材料。然而，不同實(shí)驗(yàn)室得到的樣品存在的微小差異，卻可能導(dǎo)致性能的差異巨大，這也使得一個(gè)材料是不是超導(dǎo)這個(gè)“非黑即白”的問(wèn)題，常常難以做出定論。

目前，人們唯一能解釋的超導(dǎo)機(jī)制是低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。1957年，巴丁、庫(kù)珀和史瑞佛3位美國(guó)物理學(xué)家提出了BCS超導(dǎo)配對(duì)理論。隨后，美國(guó)物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)這一理論推導(dǎo)出超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不大可能超過(guò)40開(kāi)爾文，被稱(chēng)作“麥克米蘭極限”。

隨著科研人員的不斷探索，許多高于40開(kāi)爾文的“高溫”超導(dǎo)現(xiàn)象被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，如銅基超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體。需要指出的是，“高溫”這個(gè)形容詞只是針對(duì)以前已知的超導(dǎo)體，它們?cè)诮咏^對(duì)零度的更低溫度下發(fā)揮作用，從絕對(duì)值來(lái)看，這些“高溫”仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“室溫”，因此仍然需要冷卻。然而，“高溫”超導(dǎo)現(xiàn)象至今仍缺乏合理的理論解釋。

另一方面，外加高壓以及摻雜化合物等方法，也為“高溫”超導(dǎo)研究的推進(jìn)提供了新的思路，但是上百萬(wàn)大氣壓的條件也決定了它很難走向?qū)嶋H應(yīng)用。

2023年7月，韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)號(hào)稱(chēng)發(fā)現(xiàn)的常壓室溫超導(dǎo)材料銅摻雜鉛磷灰石，則是基于一個(gè)與學(xué)界主流觀點(diǎn)相悖的“原子間超導(dǎo)帶理論”，即利用原子內(nèi)部的擠壓來(lái)提供等效的高壓環(huán)境，從而提高超導(dǎo)臨界溫度。然而，該項(xiàng)成果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

縱觀科技發(fā)展史，很多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明，都是一個(gè)漫長(zhǎng)且復(fù)雜的過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，也需要克服各種困難和挑戰(zhàn)。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在室溫常壓超導(dǎo)這條通往物理學(xué)巔峰的崎嶇山路上，還有更多的未解之謎，等待著我們?nèi)デ笏鳌?/p>

超導(dǎo)技術(shù)并非“空中樓閣”

室溫超導(dǎo)雖然在短期內(nèi)很難突破，但“高溫”超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)形成了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)——再次提醒，這里的“高溫”是一個(gè)比“室溫”要低得多的溫度概念。

與超導(dǎo)技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)可以大致分為3個(gè)部分。上游涉及以稀土元素金屬（如鐠、鑭、釔等）為代表的礦產(chǎn)資源，這些稀土元素在“高溫”超導(dǎo)研究和開(kāi)發(fā)中扮演著重要角色。中游是以鉍鍶鈣銅氧和釔鋇銅氧為代表的新一代“高溫”超導(dǎo)材料，這些材料也是未來(lái)室溫常壓超導(dǎo)技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵。下游則包括超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)、超導(dǎo)磁探測(cè)器等“高溫”超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品直接影響到社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)乃至軍事等各個(gè)領(lǐng)域。

超導(dǎo)電纜因其零電阻特性，被認(rèn)為是最佳的輸電材料。即使在復(fù)雜和嚴(yán)苛的外部環(huán)境下，超導(dǎo)電纜也能保證安全運(yùn)行，并具有高容量和低損耗等優(yōu)點(diǎn)，可提供更穩(wěn)定、高效的電力供應(yīng)。

“高溫”超導(dǎo)技術(shù)還將推動(dòng)交通工具的革新，為我們提供更快捷高效的交通服務(wù)。我國(guó)自主研發(fā)的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)到600余公里。如果該技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通網(wǎng)，從北京到成都的列車(chē)時(shí)間將縮短至90分鐘。

“高溫”超導(dǎo)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展也將帶來(lái)深刻的變革。目前，世界各軍事強(qiáng)國(guó)已競(jìng)相展開(kāi)這方面的研究。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，電磁頻譜相當(dāng)于軍隊(duì)的“眼睛”，電磁信息的傳輸和接收能力在很大程度上決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的成敗。面對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境，采用“高溫”超導(dǎo)技術(shù)制造的武器裝備具有高靈敏度、低噪聲和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。例如，“高溫”超導(dǎo)天線(xiàn)因其表面電阻極低、損耗低等電路特性而具有出色的傳輸性質(zhì)。相比普通天線(xiàn)，它還具有更好的方向性和輻射效率，最遠(yuǎn)傳輸距離可以提高數(shù)倍。這意味著“高溫”超導(dǎo)技術(shù)可以幫助軍隊(duì)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更精確的通信和偵察能力，從而提升情報(bào)獲取和指揮控制的效率。

“高溫”超導(dǎo)技術(shù)還有更多其他的應(yīng)用，如基于磁信號(hào)的精密測(cè)量和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)等。因此，“高溫”超導(dǎo)也被視為引領(lǐng)“第四次工業(yè)革命”技術(shù)中的翹楚。

無(wú)論是“高溫”超導(dǎo)，還是室溫超導(dǎo)，人們期待著超導(dǎo)技術(shù)能更好地為人類(lèi)社會(huì)服務(wù)。對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)研究是一個(gè)充滿(mǎn)發(fā)現(xiàn)與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。追尋超導(dǎo)，將是一場(chǎng)突破極限的角力。

來(lái)源： 中國(guó)軍網(wǎng)解放軍報(bào)