超導百年：物理學“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,？

簡單來說,，美國物理學會的三月會議上,，來自羅徹斯特大學的Ranga Dias宣布,，他們團隊在近環(huán)境壓強下實現(xiàn)了室溫超導,。

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

原因有兩個：

一是這個研究本身還不確定，有學者對實驗數(shù)據(jù)提出了質疑,，認為樣品過于均勻,，實驗結果目前還沒有被其他課題組復現(xiàn)。

二是這個團隊帶頭人有“前科”,，Ranga Dias在2020年發(fā)表于《自然》上的論文被撤稿了,，多個研究組試圖重復該實驗，結果都不理想,。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,，認為“ Something is seriously wrong”,。

所以，室溫超導雖然是“諾獎級”的工作,，但說Ranga Dias已經(jīng)摘下了“圣杯”,，還為時過早。

這件事并不復雜,，三言兩語就能說完,。但有趣的是，明明諾獎八字還沒一撇,，還是大多數(shù)人都不了解的凝聚態(tài)物理領域,，卻引得中國科技圈一片焦慮，大眾媒體也積極報道,。

怎么就引起了轟動呢,？

除了超導領域本身的重要性之外，還是因為這條新聞,，激發(fā)了當下國際科技競賽的普遍焦慮,。

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

在廣泛流傳的一張網(wǎng)圖里,，連認證的中科院研究員，都感受到“降維打擊”了,，讓很多人擔心,，咱們在基礎重大突破上，不會又被拉下一大截吧,？

同班同學剛考了個語文的年級第一，你正摩拳擦掌,、懸梁刺股,，預備下次考試好好發(fā)揮呢，人家又捧回來一個國際物理競賽金獎,，直接保送了,。可不就激發(fā)了咱們擔心落后的“焦慮情緒”,。

只能說明,，對于基礎科技創(chuàng)新，大家真的太焦慮了,，一有風吹草動就如臨大敵,，忽略了咱們中國在超導領域，也是非常優(yōu)秀的,。

目前,，美、日,、中是全球超導領域的領先者,。2008年，《科學》雜志就以“新超體把中國物理學家推向世界最前沿”為題,，認為 “中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結果,，標志著在凝聚態(tài)物理領域，中國已經(jīng)成為一個強國,�,！�

（2008年《科學》雜志：新型超導體推動中國物理學家走在前列）

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

踏破鐵鞋無覓處,，超導竟在我身邊

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

超導,，就是“超級導電”的意思，具有這種超級導電性的材料,，就是超導體,。之所以能超級導電，源于電阻為零的特性,。

九年義務教育常識：電流穿過電子設備/電線環(huán)路時,，會遭遇電阻，導致一些能量以熱量的形式而損失掉,。你的手機在高負荷運轉或充電時會發(fā)熱,，變成暖手寶，就是這個道理,。

而超導是零電阻,，所以電流可以在超導體中沒有阻力、熱損耗,、衰減地流動,。

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

今天,，超導在多個領域的應用已經(jīng)非常成熟甚至是商業(yè)化了。我們從兩個場景來看：

一是強電應用,。即在大電流或強磁場下的超導應用,。

基礎科研：基礎科學研究往往需要強磁場的環(huán)境，大型粒子加速器,、高能粒子探測器,、人工可控核聚變裝置都需要高強度的超導磁體。

能源行業(yè)：現(xiàn)階段最高效的特高壓交流輸電技術,，需要經(jīng)過變電站,，以市電電壓傳輸?shù)礁骷腋鲬簦�長距離傳輸會帶來電能的損失,，造成能源浪費,，加重環(huán)境的負擔。而零電阻的超導電路，就完全不需要變電站,，可以在較低電壓下進行高功率傳輸,，零損耗地傳輸電能，這對能源行業(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）,，成像清晰度和辨識度很高，靠的就是超導磁體,，14特斯拉以上的超強超導磁體核磁共振成像技

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

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

當然，還有一些與普通人生活比較遠的強電應用,。比如量子計算,，超導量子比特技術幫助打造量子計算機，取得量子霸權,；軍事用途,，超導體可以用于開發(fā)高強度電磁脈沖（EMP），用來癱瘓范圍內(nèi)的所有電子設備,；太空探索,，超導磁體，超導可控核聚變發(fā)動機,，為太空旅行,、宇宙飛船提供源源不斷的動力。

（中車長客正在研制超導電動高速磁浮列車）

二是弱電應用,。即在大電流或強磁場下的超導應用,。

普通人日常接觸最多的還是弱電應用，比如移動通信,、家電,、智能設備之類的，這些領域的“超導化”其實也非常常見。

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

大家平時用的筆記本電腦,、手機,、平板，容易因為散熱不佳而燙手,、運算速度變慢,、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,。如果能用超導體來制作電子元器件，就不用擔心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，物理學家J.C. Séamus Davis認為,，特斯拉和愛迪生發(fā)明了電力,，徹底改變了社會，而超導將再次徹底改變它,。

如今,，超導并不只存在學術會議、神秘實驗室,、各國智庫報告里,，其實已經(jīng)來到了我們身邊。

諾獎收割機,，超導百年都在研究什么,？

這么一說，你可能會說,，既然3G時代超導就開始商用了,，怎么還能持續(xù)收割“諾獎”，引無數(shù)物理學科學家競折腰呢,？

從發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象,，至今不過百年的時間，就已經(jīng)在凝聚態(tài)物理領域誕生了60多個諾獎（諾貝爾物理獎）,，超導這個更小的分支,，就有10個直接得獎,，可見這個領域非常重要，而且難度大,、收獲也大,。

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

1. 發(fā)現(xiàn)超導

1911年,，荷蘭物理學家卡末林·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”,，這項開創(chuàng)性的研究，兩年后就獲得諾貝爾物理學獎,，所在的荷蘭萊頓大學的物理實驗室,，也一度成為世界低溫物理研究中心。

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

2. 超導熱力學效應,。

1950年，俄羅斯科學家A.A.Abrikosov,、Vitaly Lazarevich Ginzburg和英國科學家Anthony Leggett提出了超導熱力學效應，認為超導就是一種量子體系中的熱力學相變,。

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

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

3.超導微觀理論,。

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

憑借這一超導微觀理論,即BCS理論,，三位科學家在1972年獲得了諾貝爾物理學獎,。

（晶格使電子產(chǎn)生吸引作用）

4.超導隧道效應。

1962年,，劍橋大學的研究生約瑟夫森發(fā)現(xiàn)了超導的量子效應,，兩個超導體中間放上絕緣體，會形成“超導隧道電流”,，超導電子可以量子隧穿到另一個超導體中去,，加上外界電壓之后，會產(chǎn)生量子振蕩運動,，這一發(fā)現(xiàn)對研制高性能半導體和超導體元器件,，有很高的應用價值，獲得1973年的諾貝爾物理學獎,。

5.高溫超導材料,。

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

這種新型材料,，給超導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獎，比發(fā)現(xiàn)超導的“開山鼻祖”昂尼斯的獲獎速度還快,。

（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成就中，可以看到,，超導是一個百年來碩果累累的基礎研究領域,，從理論奠基到落地應用的腳步，步履不停,，而這個領域還會持續(xù)涌現(xiàn)更多的諾獎得主,。

那么，超導還有哪些研究方向是諾獎的種子選手,，中國的研究實力究竟怎么樣呢,？

下一個超導“諾獎”的種子選手

目前,，超導領域還有很多未完成的“諾獎級”工作，等待著各國科學家們“搏一搏”,。

首當其沖的,，就是最近廣為關注的常壓室溫超導體。

超導要實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,，必須開發(fā)出更利于應用的超導材料,。而一直以來，超導領域都有一個臨界溫度的天花板——“麥克米蘭極限”,，即超導臨界溫度不能超過40 K(零下233.15℃),。

這個臨界溫度還是太低了，超導體必須通過昂貴的降溫技術,，比如液氮/液氫,，才能保持超導性。為了讓超導體規(guī)�,；瘧���,，就必須探索室溫環(huán)境下（300 K，即27℃）就能夠保持超導性質的材料,。

可以說,，常壓室溫超導體，是絕對的諾獎潛力股,。

此前曾有很多論文聲稱找到了“室溫超導體”,，但基本都無法被同行重復實驗，有的實驗數(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)境壓強下的室溫超導，因為類似的“狼來了”已經(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）

實驗技術的桎梏難以打破,，基礎理論突破或許能帶來變革。高溫超導微觀理論,，也是一個頗有前途的諾獎選手,。

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

如果能夠將高溫超導機理的微觀問題研究明白,，能夠給室溫超導帶來意外的改變，加速超導產(chǎn)業(yè)化應用的進程,，具有里程碑式的意義,。

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

從1911年超導被發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)有成千上萬種超導材料被發(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性,。不過，具有實際應用價值的材料,，還是那些便宜,、容易獲得的金屬與合金材料。

前面提到,，銅氧化物超導材料的發(fā)現(xiàn),，第二年就斬獲了諾獎。那么下一個諾獎級材料會是誰呢,？答案是鐵基超導體,。

1987年之后銅氧化物超導材料的發(fā)現(xiàn)，開啟了超導材料探索的蓬勃之路,。如果說此前中國在超導領域的研究基礎弱,、追趕慢，與國際一流水平有代差,。那么從上世紀八十年代開始,，圍繞高溫超導材料，中國科學家迅速躋身到了世界前列,。

《超導“小時代”：超導的前世,、今生和未來》中提到，1987年3月初,，美國物理學會3月會議設立了“高臨界溫度超導體討論會”,，當時，來自中國,、美國,、日本的科學家，作為大會特邀報告人,，分別報道了各自在高溫超導材料探索的結果,，世界各地的3000多名物理學家，擠滿了1100人容量的報告廳,，狂熱的會議討論一直持續(xù)了7小時,，直到凌晨2點才結束,。

目前，構建出新型結構的鐵基超導材料,，被認為是高溫超導甚至室溫超導的希望所在,，是下一個諾獎的潛力股，也是中國在超導領域的強項,，擁有大量優(yōu)秀的研究人才和豐富的研究經(jīng)驗,，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個鐵基超導體系。

2014年,，德國馬克斯普朗克化學研究所的科學家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氫中發(fā)現(xiàn)190 K超導零電阻現(xiàn)象,，發(fā)表在《自然》期刊上，正是受到了中國科學家的理論計算啟示,。

百年超導,，今天依然是如此迷人，擁有無限的可能性,，才會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力,，穿越時空的旅行……關于未來世界的想象中，超導是不可或缺的一筆,，中國亦然,。

熱青茶

步子有點大

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