當前看點!全球熱議“室溫超導”新突破，一場新的能源革命要來了？｜鈦媒體深度

當一對金剛石砧之間加壓時，一種由氫、碳和硫組成的新型金屬化合物在21攝氏度下表現(xiàn)出超導性

(相關資料圖)

繼核聚變、ChatGPT之后，“室溫超導”領域迎來新的技術突破。

據(jù)美國物理學會（APS）網站顯示，美國羅切斯特大學助理教授、哈佛大學物理系研究員、凝聚態(tài)物理學家迪亞茲（Ranga Dias）在當?shù)貢r間3月7日舉行的“靜態(tài)超導實驗”報告會議上公布了一份最新研究成果：

迪亞茲團隊通過實驗，創(chuàng)造出了一種在室溫和相對較低壓力的可在實際條件（Practical conditions）下工作的“超導體”。該超導體由氫、氮和镥（Lu-N-H）三種金屬元素材料混合、放置在“金剛石壓砧”裝置中加壓，在約21℃溫度下、以及1萬個標準大氣壓的壓力下進入超導狀態(tài)，失去了對電流的阻力，從而實現(xiàn)這種新型超導體在室溫環(huán)境中應用的可能。（注：人類已經可以在5-6萬個大氣壓下合成鉆石）

同時，3月9日凌晨，該研究成果發(fā)表在英國《自然》雜志上，題目為《N 摻雜氫化镥中近環(huán)境超導性的證據(jù)》。時間戳顯示，這篇論文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收。

這意味著，未來在常規(guī)條件下，這種“超導體”有望應用于飛行器、量子計算機、磁懸浮交通、超導醫(yī)療、核聚變反應堆“磁封閉體”、超導重力模擬等諸多場景中。人類向著長久以來希望創(chuàng)造出具有最優(yōu)效率電力系統(tǒng)的目標又邁近了一步。

可以預見，一旦常溫超導體技術成熟應用，一個高效率機器、超靈敏儀器和革命性電子產品的新技術時代即將到來，屆時或將引發(fā)一場新的能源革命。

該消息傳開，全球都在熱議，相關問題已直接沖上知乎熱搜第一，Reddit話題熱度也在攀升。

“這是可用于實際應用的新型材料的開端，”迪亞茲表示，這將是一項重塑21世紀的革命性技術。有了這種技術，人類就將進入一個超導社會，你將不再需要電池之類的東西，這些材料“絕對可以改變我們所知道的世界”。

不過，由于該團隊在2020年10月發(fā)表的一篇類似論文受到質疑，最終導致英國《自然》雜志撤稿，這表明迪亞茲的這一新研究成果仍可能將面臨學術界人士的質疑。美國雙周刊科學雜志ScienceNews認為，這項研究可能會面受到非常嚴格的審查。

隨后，迪亞茲（Ranga Dias）3月9日對媒體表示，已多次重復實驗，有信心過審，對其團隊此次的全新發(fā)現(xiàn)充滿信心，但他同時還指出，“要將我們對室溫超導新材料的發(fā)現(xiàn)應用到任何規(guī)模的現(xiàn)實世界中，還需要幾年的艱苦工作。”

一位國內的大學物理教授王利（化名）告訴鈦媒體App，這個實驗結果對于凝聚態(tài)物理的意義遠大于超導實用技術，它發(fā)現(xiàn)了個新的途徑去尋找高溫超導材料。另一位行業(yè)人士稱，“高壓常溫超導很難商業(yè)化”。

從資本市場看，截至發(fā)稿前，“超導”板塊個股集體高開。永鼎股份、百利電氣、法爾勝一字漲停，寶勝股份、西部超導、西部材料漲超5%，東方坦業(yè)、聯(lián)創(chuàng)光電、漢纜股份等跟漲。

那么，美國科學家團隊重提“室溫超導”，這回能獲科學界認可嗎？

百年超導研究之路

一個多世紀以來，室溫超導一直是材料科學領域的研究熱點。

從字面意思上，超導就是超級導電之意。

根據(jù)導電性能，可以將物質分為導體、半導體和絕緣體。其中在導體中，存在大量可以自由移動的帶電粒子，它們可以在外電場的作用下自由移動，形成電流。

超導體是在一定溫度（定義為超導臨界溫度）之下電阻為零。盡管嚴格意義上的零電阻無法測量出來，但多個實驗表明，超導材料的電阻率要比導電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等要整整低了10個數(shù)量級。

一塊磁鐵懸浮在一個用液氮冷卻的超導體上

這意味著，在閉合超導線圈中感應出1A的電流，需要近一千億年才能衰減掉，比我們宇宙的年齡138億年還要長。因此，我們有充分的理由認為超導態(tài)下電阻為零。

1911年，荷蘭物理學家?？恕た帧ぐ耗崴梗℉eike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)，把汞冷卻到-269攝氏度時電阻會突然消失，電子會在其中無阻礙地運動。后來，他又注意到許多金屬和合金都具有與汞相類似的特性，他將這種特殊的導電性能稱之為“超導態(tài)”——這是人類首次發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。

昂尼斯因研究物質在低溫下的性質，并制出液態(tài)氦而榮獲1913年諾貝爾物理學獎。

此后的一個多世紀中，新的超導材料相繼被發(fā)現(xiàn)，一波接一波沖擊更高的超導臨界轉變溫度，每次發(fā)現(xiàn)都推動著科學家投身相關的研究熱潮：

1957年，第一個真正能描述超導現(xiàn)象的BCS理論誕生，由美國科學家John Bardeen、Leon Cooper和John Schrieffer基于“波粒二象性”建立。他們認為，金屬外層自由電子在有電壓時，會流經晶格點陣形成電流，但通常情況下，這種晶格點陣有缺陷，會因熱振動使電流產生阻礙；1986年，瑞士蘇黎世IBM公司的柏諾茲和繆勒在銅氧化物體系發(fā)現(xiàn)了35K的超導；2008年2月，日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵砷化物體系中存在26K的超導電性；在中國科學家的努力下，這類材料的超導臨界溫度很快就突破了40K，在塊體材料中實現(xiàn)了55K的高溫超導電性。而高于40K以上的超導體又被稱之為高溫超導體，銅氧化物和鐵基超導體，是目前發(fā)現(xiàn)了僅有的兩大高溫超導家族。2016年，英國愛丁堡大學E. Gregoryanz等人在325 GPa獲得了氫的一種 “新固態(tài)”，認為可能是金屬氫，論文發(fā)表在《自然》雜志。同年6月，德國科學家在arXiv貼出了關于石墨晶體中存在350K超導跡象的論文，樣品來自巴西某礦產的石墨晶體。但理論上，石墨烯中是否存在室溫超導電性，一直以來是爭議的一個焦點之一，而論文的“超導證據(jù)”只是電阻在350K存在一個輕微的下降，并會響應磁場的變化，專家認為這可能和超導關系不大。2017年，美國哈佛大學研究團隊宣布在495 GPa下實現(xiàn)了金屬氫，他們觀測氫在壓力不斷增加過程中，從透明氫分子固體，到黑色不透明的半導體氫，最終到具有金屬反光的金屬氫，論文發(fā)表在《科學》雜志。

嚴格來說，判斷一個材料是否屬于超導體，必須有兩個獨立的電磁特性判據(jù)：1. 是否具有絕對零電阻；2. 是否具有完全抗磁性。后者由德國科學家沃爾特·邁斯納（Walther Meissner）等發(fā)現(xiàn)，又稱為“邁斯納效應”，即磁場下超導體具有“完全抗磁性”，其內部磁感應強度B為零。

超導體對人們生產生活的意義重大。實際上，應用電子技術都基于有電阻的電路，大量能源因普通導體存在電阻而轉變?yōu)闊崃堪装讚p耗。而實現(xiàn)室溫超導有望使電能極少轉變?yōu)闊崃浚瑥亩嵘龑w和裝置的效率，極大地推動現(xiàn)有電子技術的發(fā)展，讓更多精細電子元件可以應用到人類生活中。

中科院物理研究所羅會仟在一篇文章中提到，超導輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術中15%左右的損耗，超導變壓器、發(fā)電機、電動機、限流器以及儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效的電網和電機。利用超導線圈制作的超導磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優(yōu)勢，是高分辨核磁共振成像、基礎科學研究、人工可控核聚變等關鍵技術的核心。

利用超導體材料特性應用的磁懸浮列車

磁懸浮列車就利用了超導體特性。超導線圈可以承載很大的電流，成為強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時，由于完全抗磁性，超導體內部會產生一個相反的磁場，使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運動。

去年11月27日，“室溫超導”入選為2022年度“十大基礎研究關鍵詞”。

“常溫超導”研究者爭議纏身

在迪亞茲研究之前，超導材料的最高溫度是2019年在德國科學家在馬克斯·普朗克化學研究所一實驗室，以及與美國伊利諾伊大學的拉塞爾·赫姆利研究小組合作實現(xiàn)的。研究人員用鑭（一種金屬稀土元素La）超氫化物在170萬個大氣壓的高壓下實現(xiàn)-23攝氏度的超導轉變溫度。

美國康奈爾大學的理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）早在1968年就在理論上預言，純氫可以在室溫下超導，因為金屬氫會有較高的超導臨界溫度，只不過需要加上500萬倍大氣壓的壓強。他在2004年提出，富含氫的化合物，如甲烷、甲硅烷、氨氣等，成為高臨界溫度的超導體所需壓強可以比金屬氫低很多。

可惜，實驗令人失望，與阿什克羅夫特的預言有不小的差距。

作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有前景的元素。要獲得高溫超導體，需要更強的化學鍵和更輕的元素。氫是最輕的材料，而氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上來講，固體金屬氫具有很高的德拜溫度（固體的一個重要物理量）和很強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的因素。

然而，僅僅是將純氫轉化為金屬狀態(tài)就需要非常高的壓力。2017年，美國哈佛大學教授艾薩克·西爾維拉和當時在其實驗室做博士后研究的迪亞茲合作，在實驗室中首次實現(xiàn)了這一目標。

美國羅切斯特大學助理教授、哈佛大學物理系研究員、凝聚態(tài)物理學家Ranga Dias，一位來自于斯里蘭卡的物理學家

不過之后，迪亞茲的研究之路就沒有那么平坦了。

2020年10月14日，英國《自然》（Nature）雜志發(fā)表的一篇首次實現(xiàn) “室溫超導” 的封面論文引發(fā)轟動。迪亞茲團隊創(chuàng)造出一種三元氫化物（C-S-H），在267萬個超高大氣壓下，實現(xiàn)了轉變溫度為15攝氏度的超導電性，即觀察到常溫超導現(xiàn)象。投稿僅2個月就登上了《自然》雜志封面，被譽為是諾獎級的工作。

迪亞茲聲稱，這是人類第一次在室溫下觀察到超導現(xiàn)象。他們的發(fā)現(xiàn)將為許多潛在的應用提供可能。但他們雖然解決了溫度的障礙，卻又出現(xiàn)了高壓難題——267萬個大氣壓，十分接近于300萬個大氣壓的地球地心處的壓力。這么高的壓力，全世界也只有很少的實驗室可以實現(xiàn)——這為后來的“撤稿”事件埋下伏筆。

當時，美國學術界普遍看好這一試驗，美國加利福尼亞大學圣迭戈分校物理教授布賴恩·梅普爾（Merrill Maple）評價道：“這項研究啟發(fā)了人們思考常規(guī)超導體和高溫超導體的關系、超導電子配對的機制、未來尋找新材料的方向、應用超導技術的新領域等，描繪了人類更加美好的未來?！?/p>

不過，也有研究者認為，迪亞斯的實驗條件十分極端，這意味著距離實際應用還非常遙遠。而迪亞斯等人創(chuàng)建了一家名為“非凡材料”的公司，以將室溫超導材料盡快商業(yè)化。

但迪亞茲的這項研究成果無法復現(xiàn)，其實是業(yè)內最大的槽點。迪亞茲后來稱，其在實驗過程不小心打碎了金剛石，后面也沒再重復實驗。不過，近500GPa的高壓技術，國際上仍有幾個研究組是可以做到的，迪亞茲他們卻沒有重復出來金屬氫的實驗結果。

更令人難以置信的是，這篇論文的關鍵證據(jù)之一，即金剛石對頂砧里的金屬氫照片，是用 iPhone 攝像頭拍的，顯得極其不專業(yè)。后來被反復追問下，迪亞茲承認 “金屬氫” 的實驗成功率并不高，可能也就那么一兩次獲得了“有效”的實驗數(shù)據(jù)?？茖W家們有理由懷疑，最終得到的 “金屬反射” 信號可能來自高壓腔體內的金屬墊片，而不是金屬氫本身，后來作者也發(fā)文更正了光電導的數(shù)據(jù)。因此，金屬氫是否真的能實現(xiàn)室溫超導，成為一個未解謎團。

在科學家集體質疑聲中，2022年9月26日，在所有論文作者都不同意撤稿的情況下，英國《自然》雜志編輯部撤掉了這篇論文。

《自然》雜志認為，在一些關鍵的數(shù)據(jù)處理步驟中，這篇論文使用了一種非標準化的、用戶自定義的程序。具體而言，這個程序指的是論文中用來處理原始數(shù)據(jù)、以生成磁化率圖的背景減法（用于處理嘈雜背景信號的方法），處理后的數(shù)據(jù)減法并沒有在論文中解釋，因此數(shù)據(jù)有效性也受到質疑，其認為這會削弱外界對磁化率數(shù)據(jù)的信心。

Dias所在團隊的論文于2022年9月26日被《自然》撤稿

同一天，頂級期刊《科學》深度報道此次撤稿事件并采訪了該事件的幾位當事人。報道題目直接引用了科學家的一句原話：“Something is seriously wrong”（事情很嚴重）。

僅僅過了不到半年，如今，迪亞茲帶著新的/另外三元氫化物镥-氮-氫（N-Lu-H）卷土重來（之前是氫-硫-碳）。在 1GPa 不那么極端的高壓力下，實現(xiàn)了更高的超導轉變溫度21攝氏度——壓強更低了，超導臨界轉變溫度(Tc)更高了。

在近15分鐘演講中，迪亞茲反復對室溫超導進行詳細講述。不過，3月9日《自然》雜志刊登的論文中也坦言，盡管這一研究結果超乎想象，但還需要進一步的實驗和模擬來確定氫和氮的確切化學計量及其各自的原子位置，從而了解材料的超導狀態(tài)。

1GPa下，材料能在接近21℃的溫度條件下實現(xiàn)超導狀態(tài)（來源論文）

在拉斯維加斯最新成果的發(fā)布現(xiàn)場，小小報告廳里擠滿了各路物理大牛。包括高溫超導先驅朱經武教授，以及此前一直在質疑室溫超導的日內瓦大學凝聚態(tài)物理學家Dirk van der Marel。而在報告廳外，更是擠滿了大批未能入場的物理學研究者，以至于保安需要不斷驅散人群，防止消防隱患。

但美國雙周刊科學雜志ScienceNews認為，這項研究可能將會面受到非常嚴格的同行審查，尤其是關于復現(xiàn)效果的。

人們對“室溫超導”抱有希望，但疑慮依然存在

繼去年12月美國加州勞倫斯利佛摩國家實驗室在可控聚變實驗中實現(xiàn)聚變點火、獲得“能量凈增益”（Q＞1），以及OpenAI發(fā)布的人工智能聊天模型ChatGPT之后，美國科學家這次又成功地在物理學界扔下一枚“核彈”。

（詳見鈦媒體App前文：《中美“激戰(zhàn)”核聚變》、《ChatGPT殺瘋了，兩個月引爆千億美金新賽道》）

目前，盡管外界對于這一實驗感到震驚，但鑒于迪亞茲此前的爭議，業(yè)內更多處于“觀望”情緒。

中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊對鈦媒體App表示：“我去年就認為超導之于能源領域就是半導體之于信息領域，過去60年信息革命依靠的是半導體材料的突破，未來60年的能源革命依靠的是超導材料的突破。所以我們去年開始大力布局高溫超導材料方向，現(xiàn)在已經投了三家高溫超導材料上下游公司，投資額過億，只是沒想到這個方向這么快又火了。”

羅會仟在3月8日晚的中科院物理所直播中表示，這次研究的大約1萬大氣壓比曾經的200GPa低很多，實驗很可能會實現(xiàn)復用。比如，以前很少有做比熱測量來驗證超導轉變，就是因為壓強過高不容易做，而這次的1GPa就使得比熱測量成為可能。

研究學者季燕江則認為，盡管完全抗磁性測量（邁斯納效應）在實驗上很困難，但說迪亞茲故意造假，他認為還缺乏證據(jù)。

一位量子領域學者對鈦媒體App表示，目前量子計算還是始終要超低溫，常溫超導還是很難實現(xiàn)的。另有物理學者認為，無論是常溫超導，還是高溫超導，溫度只是衡量超導應用的指標而已，目前應用最多的依舊是鈮鈦合金超導體，這種常溫超導短期內很難實際應用。

一位知乎答主表示，對于這類研究，最好還是等一等同行復現(xiàn)的結果。他認為這次結果仍然只是一家之言，而不是同行評議的結果。

中國科學院物理研究所靳常青和伊利諾伊大學香檳分校戴維·塞珀利聯(lián)合在《自然》雜志刊文稱，作者的發(fā)現(xiàn)無疑會引起爭議，因為幾乎是其他具有高溫超導性的氰化物的兩倍，并且表明與類似的超導化合物相比，論文樣品中存在的氫相對較少。如果氮摻雜確實是超導狀態(tài)的部分原因，那么它在實現(xiàn)如此高的轉變溫度方面的作用還有待確定。

“無論機制如何，在環(huán)境條件下超導材料的前景都是誘人的。超導材料可以制造強大的磁體，例如用于磁共振成像 (MRI)——這項技術自半個世紀前首次出現(xiàn)以來就對醫(yī)學診斷產生了深遠影響，這種材料也可以用作懸浮物體，激發(fā)磁懸浮列車的想法。但標準MRI系統(tǒng)目前在沒有高溫超導元件的情況下需要昂貴的制冷，因此，也許該研究新的氫化物化合物將使我們更接近這些技術成為現(xiàn)實。”靳常青和塞珀利共同表示。

那么，對于“室溫超導”圣杯這次是否要大結局，更多人認為還需讓“子彈”多飛一會。（本文首發(fā)鈦媒體App，作者｜林志佳）

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