鬧烏龍還是摘下“圣杯”

　　實現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”？讓子彈再飛一會兒

　　◎本報記者 陳 曦 實習(xí)記者 沈 唯

　　超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì)，還有相位相干性質(zhì)。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用。目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、交通等多個領(lǐng)域，發(fā)揮了不可替代的作用。

　　“這個結(jié)論應(yīng)該是被證偽了。”南京大學(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞海虎團(tuán)隊在幾乎復(fù)刻了美國羅切斯特大學(xué)教授迪亞斯研究的室溫超導(dǎo)材料并完成測量以后，得出了與之完全不同的結(jié)論。除此之外，我國多個團(tuán)隊發(fā)表的相關(guān)實驗結(jié)果也都給出了否定的結(jié)論。

　　3月初，迪亞斯在美國物理年會的一場報告中宣布，在1GPa(約1萬個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下，實現(xiàn)了294K(21℃)的室溫超導(dǎo)。

　　是烏龍事件，還是迪亞斯團(tuán)隊確實摘下了“凝聚態(tài)物理學(xué)圣杯”？一切有待驗證。但無論結(jié)果如何，都說明“室溫超導(dǎo)”自帶龐大“流量”，多年來，吸引著無數(shù)科學(xué)家在這一領(lǐng)域孜孜以求，躬耕不輟。

　　那么，“室溫超導(dǎo)”究竟是什么？人類距離這個目標(biāo)還有多遠(yuǎn)？

　　超導(dǎo)特性催生顛覆性應(yīng)用

　　“眾所周知，金、銀、銅是非常好的導(dǎo)體材料，電阻都比較小，但是仍然存在電阻。”上海大學(xué)材料基因組工程研究院教授葛軍飴介紹，超導(dǎo)材料是一類具有特殊電、磁特性的材料，它具有在某一臨界溫度下，表現(xiàn)出電阻突然消失且完全抗磁的特性。在理論上，超導(dǎo)材料導(dǎo)電時可以沒有阻力、熱損耗和衰減。

　　“超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì)，還有相位相干性質(zhì)。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用。”聞海虎介紹。

　　目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、交通等多個領(lǐng)域，發(fā)揮了不可替代的作用。

　　葛軍飴舉例說，醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產(chǎn)生特斯拉級別強(qiáng)磁場，該設(shè)備的分辨率與磁場的大小成正比，磁場越大越容易發(fā)現(xiàn)一些早期病變。而超導(dǎo)材料的磁通釘扎性質(zhì)可以使其在強(qiáng)磁場下仍然保持零電阻特性，因此可以制備出非常強(qiáng)大的磁場。

　　在電網(wǎng)的運行中，為了降低傳輸中的損耗，往往需要用到超高壓的輸電方案。但建設(shè)超高壓電網(wǎng)不僅需要較高的成本，還會對環(huán)境造成一定的破壞。而采用超導(dǎo)電纜輸電，可以在幾十千伏的電壓下傳輸相同級別的電力。2021年12月，我國自主建設(shè)的首條公里級高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運行，在超導(dǎo)電纜大規(guī)模應(yīng)用的征途中邁出了重要的一步。

　　此外，超導(dǎo)在儲能、磁懸浮等領(lǐng)域的應(yīng)用也在快速發(fā)展中。全球最大的國際科研合作項目“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”，有望解決人類對清潔能源的終極需求。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置，俗稱“人造太陽”。近幾年快速發(fā)展的量子計算的多條路徑中，基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)設(shè)計的量子計算機(jī)是目前公認(rèn)最可能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的方案。

　　室溫超導(dǎo)“圣杯”為何難摘

　　“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性，這意味著實驗中使用的超導(dǎo)材料無法投入到長期、常規(guī)的應(yīng)用中，比如無損電力傳輸、超導(dǎo)磁懸浮高速列車和平價醫(yī)療影像設(shè)備。”南開大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說。

　　從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，人類在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒有停下腳步。100多年來，在試圖解釋超導(dǎo)機(jī)理的同時，科學(xué)家一直在想辦法提升超導(dǎo)材料的臨界溫度。

　　最先出現(xiàn)的是低溫超導(dǎo)材料。聞海虎介紹，1986年之前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)材料的最高臨界溫度是23.2K(-249.95℃)。低溫超導(dǎo)材料以鈮鈦超導(dǎo)體、鈮三錫化合物超導(dǎo)體這兩類材料為代表，目前在工業(yè)界、醫(yī)療界、大科學(xué)裝置等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

　　就在人們對高溫超導(dǎo)不抱太大希望的時候，1986年，瑞士的兩位科學(xué)家在銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，并且很快合成了臨界溫度大于77K(-196℃)的超導(dǎo)材料釔鋇銅氧。這類臨界溫度突破傳統(tǒng)理論預(yù)言的麥克米蘭極限40K(-233℃)的材料被稱為高溫超導(dǎo)體。

　　“需要說明的是，這里的‘高溫’也只是一個相對的概念。實際上，目前已經(jīng)進(jìn)入實用化階段的高溫超導(dǎo)體的臨界溫度仍然在零下100多攝氏度，遠(yuǎn)低于室溫，需要液氮作為制冷劑運行。”葛軍飴強(qiáng)調(diào)。

　　隨后，人們相繼發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂、鐵基超導(dǎo)在內(nèi)的多個新的超導(dǎo)體系，并嘗試通過化學(xué)元素?fù)诫s、離子液體調(diào)控、電荷轉(zhuǎn)移等方法提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。但迄今為止，常壓下的超導(dǎo)臨界溫度的紀(jì)錄仍然由銅氧化物超導(dǎo)體保持。

　　“盡管高溫超導(dǎo)體突破了液氮溫度，可以在液氮下使用，且成本很低。但其使用依舊受限。”季魯補(bǔ)充說，制冷成本和高溫超導(dǎo)材料的一些臨界參數(shù)限制了高溫超導(dǎo)的發(fā)展。

　　“發(fā)現(xiàn)真正的室溫超導(dǎo)體是人們的終極目標(biāo)。如果室溫超導(dǎo)材料出現(xiàn)，那么制冷成本會更低，室溫超導(dǎo)材料就會更容易推廣。”聞海虎說。

　　葛軍飴表示，室溫超導(dǎo)并不是一個新概念，理論研究就曾預(yù)言，原子質(zhì)量最小的氫被金屬化后將表現(xiàn)出高達(dá)室溫的超導(dǎo)臨界溫度。然而，要使氫變成金屬，需要外界施加極大的壓力。

　　直到2017年，金屬氫才首次被迪亞斯及其導(dǎo)師在高壓下合成，但該實驗至今仍無法被其他實驗室重復(fù)。2020年迪亞斯等人報道的高壓下的室溫超導(dǎo)也因為數(shù)據(jù)可靠性存疑以及實驗的不可重復(fù)性等原因在2022年9月被撤稿。

　　“此次迪亞斯課題組的研究成果再次引起廣泛關(guān)注的原因在于，本次報道的室溫超導(dǎo)所需要的壓力條件比之前的氫化物體系出現(xiàn)超導(dǎo)所需要的壓力小得多，只有之前的幾百分之一。”葛軍飴認(rèn)為。

　　未來將如何實現(xiàn)室溫超導(dǎo)

　　由于迪亞斯此次公布的成果降低了實驗所需壓力，因此世界各地的很多實驗室都具備重復(fù)試驗的條件。

　　3月15日，聞海虎團(tuán)隊在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9個作者、長達(dá)16頁的研究論文，題目是“氮摻雜氫化镥(LuH_2±xN_y)近環(huán)境條件下不存在超導(dǎo)性”，直截了當(dāng)?shù)胤穸说蟻喫沟难芯拷Y(jié)論。

　　“迪亞斯制備樣品材料的方案幾乎不可行，我們結(jié)合自己的條件，以全新的方式進(jìn)行合成，得到了镥氮氫材料。”聞海虎說。

　　經(jīng)X射線衍射儀技術(shù)檢查后，該材料結(jié)構(gòu)與迪亞斯的樣品幾乎一致。聞海虎團(tuán)隊隨即在6萬個大氣壓以下的不同壓力中，對該材料電阻進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)溫度低至10K時都沒有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生。同時，他們也進(jìn)行了仔細(xì)的磁化測量，發(fā)現(xiàn)沒有超導(dǎo)所需的抗磁信號。“這些發(fā)現(xiàn)足以說明我們制備出來的與迪亞斯團(tuán)隊制備的類似樣品中，沒有近常壓的室溫超導(dǎo)電性。”聞海虎說。

　　季魯也認(rèn)同這一結(jié)論。“聞海虎團(tuán)隊將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強(qiáng)環(huán)境下，確實在300K左右的溫度條件下看到了一些電阻數(shù)據(jù)的變化，但看起來應(yīng)該是材料結(jié)構(gòu)的變化。”他說，這種變化可以認(rèn)定為一種相變，但應(yīng)該不是超導(dǎo)相變。因此，針對這種截然相反的結(jié)果，有兩種解釋——要么是迪亞斯的實驗條件更加苛刻，要么是迪亞斯團(tuán)隊的數(shù)據(jù)解讀有明顯錯誤。

　　“其實常壓下室溫超導(dǎo)材料的實現(xiàn)路徑，除了迪亞斯這種金屬附氫加高壓的方向之外，還有很多其他辦法。”聞海虎介紹，比如沿著原來銅氧化物超導(dǎo)的方向，也有可能實現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo)，這也是國際主流方向。

　　理論成果往往要很久后才能投入應(yīng)用。葛軍飴認(rèn)為，實現(xiàn)室溫超導(dǎo)的路還很遙遠(yuǎn)。就如同距離高溫銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了30余年，但目前應(yīng)用最廣泛的實用化超導(dǎo)體仍然是20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的鈮鈦超導(dǎo)體、鈮三錫化合物超導(dǎo)體等合金類的低溫超導(dǎo)體。

　　聞海虎表示，室溫超導(dǎo)是人類夢寐以求的目標(biāo)。同時，我國也在積極推進(jìn)低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用進(jìn)程，取得了較多進(jìn)展。在低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用上，我國已基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。而在高溫超導(dǎo)應(yīng)用上，目前上海、蘇州等地的公司已經(jīng)能制備出釔鋇銅氧超導(dǎo)體的帶材。此外，我國科學(xué)家在目前國際上最看好的鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域，也作出了許多貢獻(xiàn)。

　　“如果能實現(xiàn)更強(qiáng)磁場下的超導(dǎo)磁體技術(shù)，可以讓核聚變更容易發(fā)生，再加上超級加速器，能大大降低可控核聚變成本，應(yīng)用前景廣闊。”聞海虎說。(科技日報)