闹乌龙还是摘下“圣杯”
实现“室温超导”？让子弹再飞一会儿
◎本报记者 陈 曦 实习记者 沈 唯
超导材料除了零电阻性质、磁通钉扎性质，还有相位相干性质。这三个主要特性让超导体有很多非常奇特甚至是颠覆性的应用。目前超导材料已应用于医学、能源、交通等多个领域，发挥了不可替代的作用。
“这个结论应该是被证伪了。”南京大学超导物理和材料研究中心主任闻海虎团队在几乎复刻了美国罗切斯特大学教授迪亚斯研究的室温超导材料并完成测量以后，得出了与之完全不同的结论。除此之外，我国多个团队发表的相关实验结果也都给出了否定的结论。
3月初，迪亚斯在美国物理年会的一场报告中宣布，在1GPa(约1万个标准大气压)下，实现了294K(21℃)的室温超导。
是乌龙事件，还是迪亚斯团队确实摘下了“凝聚态物理学圣杯”？一切有待验证。但无论结果如何，都说明“室温超导”自带庞大“流量”，多年来，吸引着无数科学家在这一领域孜孜以求，躬耕不辍。
那么，“室温超导”究竟是什么？人类距离这个目标还有多远？
超导特性催生颠覆性应用
“众所周知，金、银、铜是非常好的导体材料，电阻都比较小，但是仍然存在电阻。”上海大学材料基因组工程研究院教授葛军饴介绍，超导材料是一类具有特殊电、磁特性的材料，它具有在某一临界温度下，表现出电阻突然消失且完全抗磁的特性。在理论上，超导材料导电时可以没有阻力、热损耗和衰减。
“超导材料除了零电阻性质、磁通钉扎性质，还有相位相干性质。这三个主要特性让超导体有很多非常奇特甚至是颠覆性的应用。”闻海虎介绍。
目前超导材料已应用于医学、能源、交通等多个领域，发挥了不可替代的作用。
葛军饴举例说，医院里广泛使用的核磁共振普遍需要产生特斯拉级别强磁场，该设备的分辨率与磁场的大小成正比，磁场越大越容易发现一些早期病变。而超导材料的磁通钉扎性质可以使其在强磁场下仍然保持零电阻特性，因此可以制备出非常强大的磁场。
在电网的运行中，为了降低传输中的损耗，往往需要用到超高压的输电方案。但建设超高压电网不仅需要较高的成本，还会对环境造成一定的破坏。而采用超导电缆输电，可以在几十千伏的电压下传输相同级别的电力。2021年12月，我国自主建设的首条公里级高温超导电缆并网运行，在超导电缆大规模应用的征途中迈出了重要的一步。
此外，超导在储能、磁悬浮等领域的应用也在快速发展中。全球最大的国际科研合作项目“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”，有望解决人类对清洁能源的终极需求。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克装置，俗称“人造太阳”。近几年快速发展的量子计算的多条路径中，基于超导约瑟夫森结设计的量子计算机是目前公认最可能实现“量子霸权”的方案。
室温超导“圣杯”为何难摘
“目前只有在极低温度或超高压力下才能观察到超导性，这意味着实验中使用的超导材料无法投入到长期、常规的应用中，比如无损电力传输、超导磁悬浮高速列车和平价医疗影像设备。”南开大学电子信息与通信系副教授季鲁说。
从1911年荷兰科学家卡莫林发现超导现象以来，人类在探索超导材料的路上一直没有停下脚步。100多年来，在试图解释超导机理的同时，科学家一直在想办法提升超导材料的临界温度。
最先出现的是低温超导材料。闻海虎介绍，1986年之前，科学家发现的所有超导材料的最高临界温度是23.2K(-249.95℃)。低温超导材料以铌钛超导体、铌三锡化合物超导体这两类材料为代表，目前在工业界、医疗界、大科学装置等领域应用最为广泛。
就在人们对高温超导不抱太大希望的时候，1986年，瑞士的两位科学家在铜氧化物材料中发现了超导现象，并且很快合成了临界温度大于77K(-196℃)的超导材料钇钡铜氧。这类临界温度突破传统理论预言的麦克米兰极限40K(-233℃)的材料被称为高温超导体。
“需要说明的是，这里的‘高温’也只是一个相对的概念。实际上，目前已经进入实用化阶段的高温超导体的临界温度仍然在零下100多摄氏度，远低于室温，需要液氮作为制冷剂运行。”葛军饴强调。
随后，人们相继发现了二硼化镁、铁基超导在内的多个新的超导体系，并尝试通过化学元素掺杂、离子液体调控、电荷转移等方法提高其超导转变温度。但迄今为止，常压下的超导临界温度的纪录仍然由铜氧化物超导体保持。
“尽管高温超导体突破了液氮温度，可以在液氮下使用，且成本很低。但其使用依旧受限。”季鲁补充说，制冷成本和高温超导材料的一些临界参数限制了高温超导的发展。
“发现真正的室温超导体是人们的终极目标。如果室温超导材料出现，那么制冷成本会更低，室温超导材料就会更容易推广。”闻海虎说。
葛军饴表示，室温超导并不是一个新概念，理论研究就曾预言，原子质量最小的氢被金属化后将表现出高达室温的超导临界温度。然而，要使氢变成金属，需要外界施加极大的压力。
直到2017年，金属氢才首次被迪亚斯及其导师在高压下合成，但该实验至今仍无法被其他实验室重复。2020年迪亚斯等人报道的高压下的室温超导也因为数据可靠性存疑以及实验的不可重复性等原因在2022年9月被撤稿。
“此次迪亚斯课题组的研究成果再次引起广泛关注的原因在于，本次报道的室温超导所需要的压力条件比之前的氢化物体系出现超导所需要的压力小得多，只有之前的几百分之一。”葛军饴认为。
未来将如何实现室温超导
由于迪亚斯此次公布的成果降低了实验所需压力，因此世界各地的很多实验室都具备重复试验的条件。
3月15日，闻海虎团队在预印本网站arXiv提交了一篇包括9个作者、长达16页的研究论文，题目是“氮掺杂氢化镥(LuH_2±xN_y)近环境条件下不存在超导性”，直截了当地否定了迪亚斯的研究结论。
“迪亚斯制备样品材料的方案几乎不可行，我们结合自己的条件，以全新的方式进行合成，得到了镥氮氢材料。”闻海虎说。
经X射线衍射仪技术检查后，该材料结构与迪亚斯的样品几乎一致。闻海虎团队随即在6万个大气压以下的不同压力中，对该材料电阻进行了测量，发现温度低至10K时都没有超导现象发生。同时，他们也进行了仔细的磁化测量，发现没有超导所需的抗磁信号。“这些发现足以说明我们制备出来的与迪亚斯团队制备的类似样品中，没有近常压的室温超导电性。”闻海虎说。
季鲁也认同这一结论。“闻海虎团队将氮掺杂氢化镥材料置于1GPa—6GPa的压强环境下，确实在300K左右的温度条件下看到了一些电阻数据的变化，但看起来应该是材料结构的变化。”他说，这种变化可以认定为一种相变，但应该不是超导相变。因此，针对这种截然相反的结果，有两种解释——要么是迪亚斯的实验条件更加苛刻，要么是迪亚斯团队的数据解读有明显错误。
“其实常压下室温超导材料的实现路径，除了迪亚斯这种金属附氢加高压的方向之外，还有很多其他办法。”闻海虎介绍，比如沿着原来铜氧化物超导的方向，也有可能实现常压下的室温超导，这也是国际主流方向。
理论成果往往要很久后才能投入应用。葛军饴认为，实现室温超导的路还很遥远。就如同距离高温铜氧化物超导体被发现已经过去了30余年，但目前应用最广泛的实用化超导体仍然是20世纪50年代发现的铌钛超导体、铌三锡化合物超导体等合金类的低温超导体。
闻海虎表示，室温超导是人类梦寐以求的目标。同时，我国也在积极推进低温超导和高温超导材料的应用进程，取得了较多进展。在低温超导材料的应用上，我国已基本达到国际先进水平。而在高温超导应用上，目前上海、苏州等地的公司已经能制备出钇钡铜氧超导体的带材。此外，我国科学家在目前国际上最看好的铁基超导研究领域，也作出了许多贡献。
“如果能实现更强磁场下的超导磁体技术，可以让核聚变更容易发生，再加上超级加速器，能大大降低可控核聚变成本，应用前景广阔。”闻海虎说。(科技日报)
