超導(dǎo)百年：物理學(xué)“圣杯”是如何誕生的,？

Callejon

最近科技圈流傳的大新聞,，大家都知道了吧,？

簡(jiǎn)單來說,，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的三月會(huì)議上,，來自羅徹斯特大學(xué)的Ranga Dias宣布,，他們團(tuán)隊(duì)在近環(huán)境壓強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。

這個(gè)消息在中文互聯(lián)網(wǎng)流傳之后,，很快就有了詳細(xì)的解讀,，業(yè)內(nèi)人士的普遍看法是：先觀望一會(huì)兒。

原因有兩個(gè)：

一是這個(gè)研究本身還不確定,，有學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑,，認(rèn)為樣品過于均勻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果目前還沒有被其他課題組復(fù)現(xiàn),。

二是這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶頭人有“前科”,，Ranga Dias在2020年發(fā)表于《自然》上的論文被撤稿了，多個(gè)研究組試圖重復(fù)該實(shí)驗(yàn),，結(jié)果都不理想,。Ranga Dias不披露原始數(shù)據(jù)，后來又說自己論文中合成的金屬氫“消失”了,，引發(fā)大家的一致抗議,，認(rèn)為“ Something is seriously wrong”。

所以,，室溫超導(dǎo)雖然是“諾獎(jiǎng)級(jí)”的工作,，但說Ranga Dias已經(jīng)摘下了“圣杯”，還為時(shí)過早,。

這件事并不復(fù)雜,，三言兩語就能說完。但有趣的是,，明明諾獎(jiǎng)八字還沒一撇，還是大多數(shù)人都不了解的凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,，卻引得中國(guó)科技圈一片焦慮,，大眾媒體也積極報(bào)道。

怎么就引起了轟動(dòng)呢,？

除了超導(dǎo)領(lǐng)域本身的重要性之外,，還是因?yàn)檫@條新聞，激發(fā)了當(dāng)下國(guó)際科技競(jìng)賽的普遍焦慮。

畢竟前不久,，人工智能領(lǐng)域的“皇冠”,，剛被OpenAI用ChatGPT摘下，通用人工智能眼看著有希望了,，現(xiàn)在物理學(xué)的“圣杯”,，又搶先被美國(guó)科研人員拿走了？

在廣泛流傳的一張網(wǎng)圖里,，連認(rèn)證的中科院研究員,，都感受到“降維打擊”了，讓很多人擔(dān)心,，咱們?cè)诨�礎(chǔ)重大突破上,，不會(huì)又被拉下一大截吧？

同班同學(xué)剛考了個(gè)語文的年級(jí)第一,，你正摩拳擦掌,、懸梁刺股，預(yù)備下次考試好好發(fā)揮呢,，人家又捧回來一個(gè)國(guó)際物理競(jìng)賽金獎(jiǎng),，直接保送了�,？刹痪图ぐl(fā)了咱們擔(dān)心落后的“焦慮情緒”,。

只能說明，對(duì)于基礎(chǔ)科技創(chuàng)新,，大家真的太焦慮了,，一有風(fēng)吹草動(dòng)就如臨大敵，忽略了咱們中國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域,，也是非常優(yōu)秀的,。

目前，美,、日,、中是全球超導(dǎo)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。2008年,，《科學(xué)》雜志就以“新超體把中國(guó)物理學(xué)家推向世界最前沿”為題,，認(rèn)為 “中國(guó)如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果，標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,，中國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國(guó),。”

（2008年《科學(xué)》雜志：新型超導(dǎo)體推動(dòng)中國(guó)物理學(xué)家走在前列）

所以大家先放下焦慮,，放下?lián)鷳n,，我們來聊聊超導(dǎo)究竟是什么,？為什么能成為“諾獎(jiǎng)級(jí)”工作？對(duì)大眾生活和科技產(chǎn)業(yè)能帶來哪些影響,？

踏破鐵鞋無覓處,，超導(dǎo)竟在我身邊

凝聚態(tài)物理？超導(dǎo)性,？這些專用名詞,，是絕大多數(shù)普通人日常很少會(huì)涉獵到的。所以咱們先不去掰扯復(fù)雜的理論和技術(shù)概念,，先來說一個(gè)有趣的事情：超導(dǎo)就在你身邊,。

超導(dǎo)，就是“超級(jí)導(dǎo)電”的意思,，具有這種超級(jí)導(dǎo)電性的材料,，就是超導(dǎo)體。之所以能超級(jí)導(dǎo)電,，源于電阻為零的特性,。

九年義務(wù)教育常識(shí)：電流穿過電子設(shè)備/電線環(huán)路時(shí)，會(huì)遭遇電阻,，導(dǎo)致一些能量以熱量的形式而損失掉,。你的手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或充電時(shí)會(huì)發(fā)熱，變成暖手寶,，就是這個(gè)道理,。

而超導(dǎo)是零電阻，所以電流可以在超導(dǎo)體中沒有阻力,、熱損耗,、衰減地流動(dòng)。

荷蘭的理論物理學(xué)家保羅·埃倫費(fèi)斯特說過,，超導(dǎo)環(huán)路里是“永不消逝的電流”,。所以，有電的地方,，就有超導(dǎo)的用武之地,。

今天，超導(dǎo)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟甚至是商業(yè)化了,。我們從兩個(gè)場(chǎng)景來看：

一是強(qiáng)電應(yīng)用,。即在大電流或強(qiáng)磁場(chǎng)下的超導(dǎo)應(yīng)用。

基礎(chǔ)科研：基礎(chǔ)科學(xué)研究往往需要強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境,，大型粒子加速器,、高能粒子探測(cè)器、人工可控核聚變裝置都需要高強(qiáng)度的超導(dǎo)磁體,。

能源行業(yè)：現(xiàn)階段最高效的特高壓交流輸電技術(shù),，需要經(jīng)過變電站，以市電電壓傳輸?shù)礁骷腋鲬�,，長(zhǎng)距離傳輸會(huì)帶來電能的損失,，造成能源浪費(fèi)，加重環(huán)境的負(fù)擔(dān),。而零電阻的超導(dǎo)電路,，就完全不需要變電站，可以在較低電壓下進(jìn)行高功率傳輸,，零損耗地傳輸電能,，這對(duì)能源行業(yè)是革命性的變化。

醫(yī)療行業(yè)：如今醫(yī)院采用的核磁共振成像儀（MRI）,，成像清晰度和辨識(shí)度很高,，靠的就是超導(dǎo)磁體，14特斯拉以上的超強(qiáng)超導(dǎo)磁體核磁共振成像技

術(shù),，能夠把人腦中的860億根神經(jīng)元全部清晰地測(cè)量出來,，為很多疾病提供精準(zhǔn)的醫(yī)療診斷影像。

交通領(lǐng)域：磁懸浮列車大家可能都聽過或坐過,，時(shí)速和高鐵差不多,，上海浦東機(jī)場(chǎng)的高速磁懸浮列車跑完全程30千米只需8分鐘。如果換成超導(dǎo)磁懸浮,，速度還能翻倍,。2020年，西南交通大學(xué)已經(jīng)建成了首臺(tái)高速超導(dǎo)磁懸浮樣車,，未來乘坐時(shí)速600千米/時(shí)以上的超導(dǎo)磁懸浮高速列車,，大家的出行效率會(huì)更高。

當(dāng)然,，還有一些與普通人生活比較遠(yuǎn)的強(qiáng)電應(yīng)用,。比如量子計(jì)算，超導(dǎo)量子比特技術(shù)幫助打造量子計(jì)算機(jī),，取得量子霸權(quán),；軍事用途，超導(dǎo)體可以用于開發(fā)高強(qiáng)度電磁脈沖（EMP）,，用來癱瘓范圍內(nèi)的所有電子設(shè)備,；太空探索，超導(dǎo)磁體,，超導(dǎo)可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī),，為太空旅行、宇宙飛船提供源源不斷的動(dòng)力,。

（中車長(zhǎng)客正在研制超導(dǎo)電動(dòng)高速磁浮列車）

二是弱電應(yīng)用,。即在大電流或強(qiáng)磁場(chǎng)下的超導(dǎo)應(yīng)用,。

普通人日常接觸最多的還是弱電應(yīng)用，比如移動(dòng)通信,、家電,、智能設(shè)備之類的，這些領(lǐng)域的“超導(dǎo)化”其實(shí)也非常常見,。

利用超導(dǎo)的零電阻優(yōu)勢(shì)制作微波器件,，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗，從而提高信號(hào)的識(shí)別度,。3G/4G基站用上高性能超導(dǎo)濾波器,，可以讓覆蓋的手機(jī)信號(hào)不串號(hào)、不混流量,。

大家平時(shí)用的筆記本電腦,、手機(jī)、平板,，容易因?yàn)樯�熱不佳而燙手,、運(yùn)算速度變慢、燒壞主板器件,，集成電路芯片越來越小,，傳統(tǒng)電路的功耗問題就越明顯。如果能用超導(dǎo)體來制作電子元器件,，就不用擔(dān)心CPU發(fā)燒了,。

我們都知道，第三次工業(yè)革命的核心是電氣化,，物理學(xué)家J.C. Séamus Davis認(rèn)為,，特斯拉和愛迪生發(fā)明了電力，徹底改變了社會(huì),，而超導(dǎo)將再次徹底改變它,。

如今，超導(dǎo)并不只存在學(xué)術(shù)會(huì)議,、神秘實(shí)驗(yàn)室,、各國(guó)智庫報(bào)告里，其實(shí)已經(jīng)來到了我們身邊,。

諾獎(jiǎng)收割機(jī),，超導(dǎo)百年都在研究什么？

這么一說,，你可能會(huì)說,，既然3G時(shí)代超導(dǎo)就開始商用了，怎么還能持續(xù)收割“諾獎(jiǎng)”，引無數(shù)物理學(xué)科學(xué)家競(jìng)折腰呢,？

從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,，至今不過百年的時(shí)間，就已經(jīng)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域誕生了60多個(gè)諾獎(jiǎng)（諾貝爾物理獎(jiǎng)）,，超導(dǎo)這個(gè)更小的分支,，就有10個(gè)直接得獎(jiǎng),，可見這個(gè)領(lǐng)域非常重要,，而且難度大、收獲也大,。

那么,，超導(dǎo)的百年歷史中，都研究了哪些重要問題,？我們就以五次超導(dǎo)研究的諾獎(jiǎng)為脈絡(luò),，串聯(lián)起超導(dǎo)的發(fā)展歷史。

1. 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)

1911年,，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂尼斯在題為《汞的電阻突然迅速消失》的論文中,，將零電阻的現(xiàn)象，命名為“超導(dǎo)”,，這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究,，兩年后就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，所在的荷蘭萊頓大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室,，也一度成為世界低溫物理研究中心,。

（Heike Kamerlingh Onnes（右），超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)者）

2. 超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng),。

1950年,，俄羅斯科學(xué)家A.A.Abrikosov、Vitaly Lazarevich Ginzburg和英國(guó)科學(xué)家Anthony Leggett提出了超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng),，認(rèn)為超導(dǎo)就是一種量子體系中的熱力學(xué)相變,。

冰熱了化成水，水熱了揮發(fā)成蒸汽,，這個(gè)固體-液體-氣體的過程就叫相變,。超導(dǎo)體的電阻值，在臨界溫度下突然下降,，而超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng)的理論,，可以用來描述超導(dǎo)相變的許多臨界現(xiàn)象。

這項(xiàng)工作的50年多年后,，三位科學(xué)家獲得了2003年的諾貝爾獎(jiǎng),，說明搞科研不僅要腦子好使，還得有個(gè)好身體,。

3.超導(dǎo)微觀理論,。

1957年,，伊利諾伊大學(xué)的三位物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗,，利用電子配對(duì)的思想解釋了超導(dǎo)的微觀機(jī)制,，即某些材料如何在低溫下以零電阻導(dǎo)電，電子之間要相互吸引,，需要晶格作為媒介,，形成電子對(duì)（Cooper對(duì)），解釋了汞和鉛一類超導(dǎo)體中的超導(dǎo)現(xiàn)象,。

憑借這一超導(dǎo)微觀理論,即BCS理論,，三位科學(xué)家在1972年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

（晶格使電子產(chǎn)生吸引作用）

4.超導(dǎo)隧道效應(yīng),。

1962年,，劍橋大學(xué)的研究生約瑟夫森發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)的量子效應(yīng)，兩個(gè)超導(dǎo)體中間放上絕緣體,，會(huì)形成“超導(dǎo)隧道電流”,，超導(dǎo)電子可以量子隧穿到另一個(gè)超導(dǎo)體中去，加上外界電壓之后,，會(huì)產(chǎn)生量子振蕩運(yùn)動(dòng),，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)研制高性能半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件，有很高的應(yīng)用價(jià)值,，獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

5.高溫超導(dǎo)材料。

1986年,，IBM的柏諾茲和繆勒在一種氧化銅材料中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)性,，可以在35 K（-396 F）的溫度下變成超導(dǎo)體。銅氧化物高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),，將臨界溫度大幅提高,，使材料在低價(jià)的液氮降溫環(huán)境下達(dá)到零電阻，極大地拓展了超導(dǎo)應(yīng)用場(chǎng)景,。

這種新型材料,，給超導(dǎo)研究注入了全新的活力，二人也在次年（1987年）就榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，比發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的“開山鼻祖”昂尼斯的獲獎(jiǎng)速度還快,。

（柏諾茲、穆勒1986年6月發(fā)表的第一篇論文）

從這些里程碑的諾獎(jiǎng)成就中,，可以看到,，超導(dǎo)是一個(gè)百年來碩果累累的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，從理論奠基到落地應(yīng)用的腳步，步履不停,，而這個(gè)領(lǐng)域還會(huì)持續(xù)涌現(xiàn)更多的諾獎(jiǎng)得主,。

那么，超導(dǎo)還有哪些研究方向是諾獎(jiǎng)的種子選手,，中國(guó)的研究實(shí)力究竟怎么樣呢,？

下一個(gè)超導(dǎo)“諾獎(jiǎng)”的種子選手

目前，超導(dǎo)領(lǐng)域還有很多未完成的“諾獎(jiǎng)級(jí)”工作,，等待著各國(guó)科學(xué)家們“搏一搏”,。

首當(dāng)其沖的，就是最近廣為關(guān)注的常壓室溫超導(dǎo)體,。

超導(dǎo)要實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,，必須開發(fā)出更利于應(yīng)用的超導(dǎo)材料。而一直以來,，超導(dǎo)領(lǐng)域都有一個(gè)臨界溫度的天花板——“麥克米蘭極限”，即超導(dǎo)臨界溫度不能超過40 K(零下233.15℃),。

這個(gè)臨界溫度還是太低了,，超導(dǎo)體必須通過昂貴的降溫技術(shù)，比如液氮/液氫,，才能保持超導(dǎo)性,。為了讓超導(dǎo)體規(guī)模化應(yīng)用,，就必須探索室溫環(huán)境下（300 K,，即27℃）就能夠保持超導(dǎo)性質(zhì)的材料。

可以說,，常壓室溫超導(dǎo)體,，是絕對(duì)的諾獎(jiǎng)潛力股。

此前曾有很多論文聲稱找到了“室溫超導(dǎo)體”,，但基本都無法被同行重復(fù)實(shí)驗(yàn),，有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠，最終不了了之,。所以為什么說不用焦慮Ranga Dias稱近環(huán)境壓強(qiáng)下的室溫超導(dǎo),，因?yàn)轭愃频摹袄莵砹恕币呀?jīng)發(fā)生過多次，等研究真的被自證和他證了,，再著急不遲,。

（麥克米蘭極限）

實(shí)驗(yàn)技術(shù)的桎梏難以打破，基礎(chǔ)理論突破或許能帶來變革,。高溫超導(dǎo)微觀理論,，也是一個(gè)頗有前途的諾獎(jiǎng)選手。

回顧歷史會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前唯一獲得諾獎(jiǎng)的超導(dǎo)理論就是BCS理論,，而能夠徹底描述高溫超導(dǎo)材料特性的理論,，目前還沒有一個(gè)是公認(rèn)成功的。底層微觀機(jī)理的未知與不清晰,，也使得相關(guān)應(yīng)用研究只能在既有的規(guī)則條件下艱難探索,。

如果能夠?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)機(jī)理的微觀問題研究明白，能夠給室溫超導(dǎo)帶來意外的改變,，加速超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程,，具有里程碑式的意義。

理論突破是金字塔尖的塔尖,，尋找室溫超導(dǎo)之路,，絕大多數(shù)研究人員的機(jī)會(huì)還是在新的超導(dǎo)材料上。

從1911年超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)至今,，已經(jīng)有成千上萬種超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn),，元素周期表中大約一半的元素都顯示具有低溫超導(dǎo)性。不過,，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的材料,，還是那些便宜、容易獲得的金屬與合金材料,。

前面提到,，銅氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，第二年就斬獲了諾獎(jiǎng),。那么下一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)材料會(huì)是誰呢,？答案是鐵基超導(dǎo)體。

1987年之后銅氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn),，開啟了超導(dǎo)材料探索的蓬勃之路,。如果說此前中國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)弱、追趕慢,，與國(guó)際一流水平有代差,。那么從上世紀(jì)八十年代開始，圍繞高溫超導(dǎo)材料,，中國(guó)科學(xué)家迅速躋身到了世界前列,。

《超導(dǎo)“小時(shí)代”：超導(dǎo)的前世、今生和未來》中提到,，1987年3月初,，美國(guó)物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議設(shè)立了“高臨界溫度超導(dǎo)體討論會(huì)”，當(dāng)時(shí),，來自中國(guó),、美國(guó),、日本的科學(xué)家，作為大會(huì)特邀報(bào)告人,，分別報(bào)道了各自在高溫超導(dǎo)材料探索的結(jié)果,，世界各地的3000多名物理學(xué)家，擠滿了1100人容量的報(bào)告廳,，狂熱的會(huì)議討論一直持續(xù)了7小時(shí),，直到凌晨2點(diǎn)才結(jié)束。

目前,，構(gòu)建出新型結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)材料,，被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)甚至室溫超導(dǎo)的希望所在，是下一個(gè)諾獎(jiǎng)的潛力股,，也是中國(guó)在超導(dǎo)領(lǐng)域的強(qiáng)項(xiàng),，擁有大量?jī)?yōu)秀的研究人才和豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鐵基超導(dǎo)體系,。

2014年,，德國(guó)馬克斯普朗克化學(xué)研究所的科學(xué)家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氫中發(fā)現(xiàn)190 K超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象，發(fā)表在《自然》期刊上,，正是受到了中國(guó)科學(xué)家的理論計(jì)算啟示,。

百年超導(dǎo)，今天依然是如此迷人,，擁有無限的可能性，才會(huì)讓鴻儒白丁們都如此感興趣,。

《天空之城》中的“漂浮島嶼”,，航行宇宙的太空飛船，永不枯竭的能源和動(dòng)力,，穿越時(shí)空的旅行……關(guān)于未來世界的想象中,，超導(dǎo)是不可或缺的一筆，中國(guó)亦然,。

熱青茶

步子有點(diǎn)大

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