走進科技圈，揭秘室溫超導技術到底是什么？

室溫超導：突破極限的角力

■楊旭辰 王捷 解放軍報特約記者 張照星

如果論起2023年度受爭議的科技熱點，室溫超導當屬其一。

去年，來自美國和韓國的兩個科研團隊，分別發表了關于室溫超導的論文。他們的發現在世界范圍內引起了軒然大波，特別是韓國研究團隊公布的LK99，引發了各國諸多科研機構的復現潮。當然，這兩個引爆全球的“新發現”，最終被貼上了“狼來了”的標簽。

雖然室溫超導這陣風在社交平臺上已漸漸平息，但各國相關科研人員的研究并沒有止步。最近，國內研究團隊也公布了他們這一領域的新的研究進展。據公開報道，中南大學聯合華南理工大學、電子科技大學研究團隊在約零下24攝氏度的條件下，發現他們制備的材料可能存在超導性。他們的論文，讓室溫超導再一次引起了關注。

那么，究竟什么是室溫超導？為什么室溫超導如此難以發現和驗證？室溫超導將會給我們的生活帶來怎樣的變化？請看相關解讀。

一個似乎遙不可及的夢想

在介紹室溫超導之前，我們需要先了解一下什么是超導。

超導，顧名思義就是超級的導電特性。它表現為，在某一臨界溫度下，導體的電阻突然消失。

20世紀初，隨著制冷技術的進步，科學家們開始深入研究溫度對物質導電性的影響。1911年，荷蘭物理學家昂內斯在將汞冷卻至4.2開爾文（相當于零下269攝氏度）時發現，其電阻突然消失，這一重要發現揭開了超導現象研究的序幕。

超導材料具有兩個特殊的性能：零電阻效應和完全抗磁性。零電阻效應意味著電流在超導體中傳輸時幾乎不會產生任何熱量；而完全抗磁性則說明超導材料具有“金鐘罩”，可以完全排斥體內的磁場。如果超導體受到抗磁性產生的排斥力和重力平衡，就可以實現類似科幻電影中的場景，讓超導體懸浮在空中，這也是超導磁懸浮的由來。

人們一直夢想著在日常生活環境中實現室溫常壓超導，即在常溫（轉變溫度大于零攝氏度）和常壓（標準大氣壓）條件下的超導。如果室溫常壓超導可以成功實現，它將極大地拓展超導技術的應用領域，電力輸送、交通運輸、醫療設備，甚至是計算機科技等各個領域都將發生翻天覆地的改變，給人類生產生活帶來革命性影響。

然而，大多數超導材料在體現超導性時必須處于低溫或高壓條件下，這嚴重限制了其實際應用。

目前，大氣常壓下具有最高超導臨界溫度的材料是汞鋇鈣銅氧陶瓷，其臨界溫度可達到138開爾文（零下135攝氏度）。在高壓情況下，富氫化合物LaH10的超導轉變溫度可以達到252開爾文（零下21攝氏度）。這些都是經過廣泛實驗驗證的材料體系。

實現室溫超導一直是科學家們追逐的目標，它被視為物理領域中的一座巔峰。幾十年來，無數科學家為此不遺余力地進行探索，絞盡腦汁尋找更高臨界溫度的超導材料，但收獲寥寥可數。盡管陸續有科研團隊聲稱實現了室溫超導，但都因沒有得到廣泛的重復驗證而黯然收場。

目前，對于人類來說，室溫超導仍是一個似乎遙不可及的夢想。

一條充滿艱難險阻的道路

至今，室溫超導材料仍然是一個撲朔迷離的領域，其主要原因是缺乏對其理論機制的合理解釋。科學家們有點像古代的煉丹師，通過“開爐煉丹”——不斷進行實驗和驗證，尋找適合的材料。然而，不同實驗室得到的樣品存在的微小差異，卻可能導致性能的差異巨大，這也使得一個材料是不是超導這個“非黑即白”的問題，常常難以做出定論。

目前，人們唯一能解釋的超導機制是低溫超導現象。1957年，巴丁、庫珀和史瑞佛3位美國物理學家提出了BCS超導配對理論。隨后，美國物理學家麥克米蘭根據這一理論推導出超導轉變溫度不大可能超過40開爾文，被稱作“麥克米蘭極限”。

隨著科研人員的不斷探索，許多高于40開爾文的“高溫”超導現象被陸續發現，如銅基超導體和鐵基超導體。需要指出的是，“高溫”這個形容詞只是針對以前已知的超導體，它們在接近絕對零度的更低溫度下發揮作用，從絕對值來看，這些“高溫”仍然遠遠低于“室溫”，因此仍然需要冷卻。然而，“高溫”超導現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”超導研究的推進提供了新的思路，但是上百萬大氣壓的條件也決定了它很難走向實際應用。

2023年7月，韓國研究團隊號稱發現的常壓室溫超導材料銅摻雜鉛磷灰石，則是基于一個與學界主流觀點相悖的“原子間超導帶理論”，即利用原子內部的擠壓來提供等效的高壓環境，從而提高超導臨界溫度。然而，該項成果還需要進一步驗證。

縱觀科技發展史，很多偉大的科學發現、技術發明，都是一個漫長且復雜的過程，從實驗室研究到產業應用，也需要克服各種困難和挑戰。

路漫漫其修遠兮，在室溫常壓超導這條通往物理學巔峰的崎嶇山路上，還有更多的未解之謎，等待著我們去求索。

超導技術并非“空中樓閣”

室溫超導雖然在短期內很難突破，但“高溫”超導技術已經形成了相關的產業——再次提醒，這里的“高溫”是一個比“室溫”要低得多的溫度概念。

與超導技術相關的產業可以大致分為3個部分。上游涉及以稀土元素金屬（如鐠、鑭、釔等）為代表的礦產資源，這些稀土元素在“高溫”超導研究和開發中扮演著重要角色。中游是以鉍鍶鈣銅氧和釔鋇銅氧為代表的新一代“高溫”超導材料，這些材料也是未來室溫常壓超導技術能否實現突破的關鍵。下游則包括超導電纜、超導磁懸浮列車、超導磁探測器等“高溫”超導應用產品，這些產品直接影響到社會生活、經濟乃至軍事等各個領域。

超導電纜因其零電阻特性，被認為是最佳的輸電材料。即使在復雜和嚴苛的外部環境下，超導電纜也能保證安全運行，并具有高容量和低損耗等優點，可提供更穩定、高效的電力供應。

“高溫”超導技術還將推動交通工具的革新，為我們提供更快捷高效的交通服務。我國自主研發的超導磁懸浮列車設計時速可達到600余公里。如果該技術廣泛應用于交通網，從北京到成都的列車時間將縮短至90分鐘。

“高溫”超導技術在軍事領域的發展也將帶來深刻的變革。目前，世界各軍事強國已競相展開這方面的研究。在現代戰爭中，電磁頻譜相當于軍隊的“眼睛”，電磁信息的傳輸和接收能力在很大程度上決定著戰爭的成敗。面對復雜的電磁環境，采用“高溫”超導技術制造的武器裝備具有高靈敏度、低噪聲和快速響應等優勢。例如，“高溫”超導天線因其表面電阻極低、損耗低等電路特性而具有出色的傳輸性質。相比普通天線，它還具有更好的方向性和輻射效率，最遠傳輸距離可以提高數倍。這意味著“高溫”超導技術可以幫助軍隊實現更遠距離、更精確的通信和偵察能力，從而提升情報獲取和指揮控制的效率。

“高溫”超導技術還有更多其他的應用，如基于磁信號的精密測量和超導量子計算機等。因此，“高溫”超導也被視為引領“第四次工業革命”技術中的翹楚。

無論是“高溫”超導，還是室溫超導，人們期待著超導技術能更好地為人類社會服務。對于科學家來說，超導研究是一個充滿發現與挑戰的領域。追尋超導，將是一場突破極限的角力。

來源： 中國軍網解放軍報