全球報道:室溫超導引爆全網？！科學家：淡定！

2022年，在一次規(guī)模和影響都不算大的學術會上，來自羅徹斯特大學的Ranga Dias團隊報告了一個神奇的發(fā)現：

他們合成了一種新金屬氫化物材料，在并不算嚴苛的壓力條件下，就能實現超導。

【資料圖】

（現在我們知道，2022年8月，Dias團隊就已經投出了論文）

會議是公開的，這一消息在高壓物理領域和超導領域都不是秘密。

2023年3月，美國物理學會三月會議（APS March Meeting）上，來自羅徹斯特大學的Ranga Dias團隊做了一些引起轟動的報告，包括Ranga Dias本人在內，他以及團隊成員分別從不同方向報告了這一工作，這次給出的內容更加詳實：

一種三元氫化物（镥-氫-氮），能在21℃、1GPa（1萬個大氣壓）下，實現超導。

通過顯微鏡觀察到的大約一毫米直徑的氫化镥樣本，這是羅徹斯特大學科學家蘭加·迪亞斯實驗室創(chuàng)造的一種超導材料。該合成圖像是焦點疊加和色彩增強多幅圖像的結果。圖源：羅徹斯特大學/J. Adam Fenster

有消息說，因為房間里坐滿了人，但還是有很多人想進去聽，不得不出動安保人員在報告開始前趕走了很多行業(yè)大佬和旁觀者，還提出了充滿噱頭的要求——不允許提問。

然而大部分人開始關注到這件事，是在北京時間3月8日的晚上，疑似來自投資圈的一組聊天記錄在社交媒體迅速流傳。

除了對Dias報告的轉述，“科幻級別的技術”“常溫超導”“應用特廣”“炸裂”“全人類受益”以及其中提及的某些產業(yè)，無一不快速點燃了人們討論的熱情。

Dias的研究經歷也不斷被扒出：曾經轟動一時的金屬氫以及它離奇消失的事情，登上《Nature》封面又被撤稿的事情，和理論物理大神Jorge Hirsch的“對峙”……

可以說，一番操作下，整件事的八卦屬性被拉滿了。

而北京時間3月9日凌晨，Dias團隊的論文在《Nature》上的正式發(fā)表，更是給大家?guī)砹诵碌拇碳ぁ?/p>

Ranga Dias教授報告現場（圖片來源：網絡）

他的發(fā)現究竟是什么？是真是假？同行們多久能完成重復驗證？如果是真的，會帶來技術革命嗎？

以及，我是不是該買點超導材料的股票了？（大霧）

滿腦子的疑問和期待，我們請中國科學院物理研究所從事高溫超導機理研究的羅會仟老師為大家解答。

問題一：Ranga Dias團隊具體發(fā)現了什么？為什么能引起這么大的轟動？

他們合成了一種“镥-氫-氮”的三元化合物，并聲明它是 “近常壓”的室溫超導材料。

這里有兩個點，一個是“室溫”，一個是“近常壓”。我們逐個來說。

根據論文數據，這種材料實現超導的溫度能到21℃，雖然和我們默認的“室溫”300K（約27℃）還有一點差距，但也基本上算室溫了。

更重要的是，對這一領域來說，它的壓力算是非常小的，被稱為“近常壓”。

請注意，這里的“近常壓”是帶引號的，因為它實際上有1萬個大氣壓。

那為什么還能叫“近常壓”？

這就要說起另一件事，Dias其實是做高壓物理出身的，在高壓領域，一般來說都是幾百萬個大氣壓，比如他2020年被撤稿的那篇《Nature》封面文章，實現288 K的超導需要267萬個大氣壓。相比較而言，稱1萬個大氣壓是“近常壓”就好理解了。更重要的是，1萬個大氣壓其實在實驗室也不算難實現，我們做人造鉆石都需要五六萬個大氣壓。

對于做高壓物理、高壓超導的研究者來說，怎么實現動輒幾萬甚至百萬大氣壓的實驗條件呢？

最簡單的，我們可以擠壓氣體，想象家庭用的壓力鍋，實驗上也可以把一些氣體擠一擠，擠到很小的一個點上，那么壓力就可以達到很高。

再比如有專業(yè)的像活塞圓筒這樣的裝置，利用它可以達到2-3萬個大氣壓的條件。

但是如果需要更高的壓力，比如百萬級大氣壓的話，就需要用到世界上最硬的物質——金剛石。在一對磨平端面的金剛石形成 “對頂砧” 再使勁加壓。

Dias在哈佛做博后時“尋找金屬氫”的研究，用的就是這種看上去就很貴的方法。事實也確實如此，一對這樣的金剛石價格大概在數萬美元。

圖片來源：Science

可以這么說，尋找到常壓室溫超導材料是超導研究者的終極夢想之一，而他們所報道的這種材料已經很接近了，所以大家感覺上是很轟動的。

不過，其實在研究者群體中，并沒有像外界那么熱烈的反響，大家還是持續(xù)關注、冷靜看待的。

問題二：此前有被撤稿經歷，這次的論文為什么依舊能發(fā)表在《Nature》上？

這篇文章我也進行了學習，應該說，還是有一些令人驚訝之處。

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：1. 是否具有絕對零電阻；2. 是否具有完全抗磁性。

這就意味著要證明一種材料是超導體，要拿出絕對零電阻和完全抗磁性兩方面的證據。

超導體的零電阻效應和磁場下的行為（圖片來源：《超導“小時代”》）

而在高壓情況下，做實驗測量是比較困難的。

其中，電阻是相對好測量的，在金剛石里埋上幾根導線，和樣品接觸上就能測量它的電阻，可是，磁信號的測量就沒有這么簡單了。

因為在高壓下，由于有金剛石的巨大壓力，還有其他很多實驗裝置，測到的磁信號絕大部分是整個裝置的背景信號，這個背景信號實際上比檢測到的材料的抗磁信號要大幾個數量級。就相當于在一組萬級的數字中，要找到10這種量級的變化。再舉個不準確的例子，這比在擁擠路段車水馬龍的聲音中，聽清一個人的呢喃，難度還要高。

但是Dias這次的工作中，不僅報告了零電阻的測量結果，也報告了抗磁性的測量結果，甚至他還給出了另外兩個比較重要的測量結果，比熱和拉曼光譜的實驗結果。

可能是吸取了2020年那次撤稿的教訓，這次他們想到了很多方面去補充數據，拿出了比較多的實驗證據來支持結論，相當于從更多維度去證明了材料的超導現象，論文中也附上了所有的原始數據。

我想這篇文章之所以還是能被接收，最重要的原因就是這些完備的實驗數據，我們能想到的在高壓下測量超導的實驗，他都做了。

當然，同領域的研究者們都可以去找到他們的原始數據，來分析驗證這些數據的正確性或可重復性。

問題三：其他實驗室能對這項工作進行重復嗎？大概需要多久？

雖然論文中只告訴大家這種“神奇”材料由“镥-氫-氮”三種元素構成，也給出了可能的材料結構，但并沒有講具體制備方法，這意味著合成材料確實會有一定的挑戰(zhàn)，特別是氮這個元素的加入，導致它和傳統(tǒng)的稀土氫化物不太一樣。

不過，對于從事這一方向研究的實驗室來說，都積累了制備這類材料的經驗，應該是可以制備出來的。

材料制備出來，其他的就好驗證了，個人估計，可能需要幾周或者一兩個月的時間，就會有實驗室能完成對這項工作的驗證。

不過我們實驗室不會開展對這項工作的驗證，我所從事的是高溫超導的機理研究，是非?；A的研究，大部分情況用的都是常壓或零壓的物理環(huán)境。我們主要是用中子散射的方式研究高溫超導機理，想要弄清這種材料到底為什么會超導。

我們會使用中子作為介質，把中子“打”進材料里面，通過比較飛出來的中子來探測材料的各種性質，這種實驗在常壓下是比較方便的。如果能搞清楚某種材料為什么會超導，哪些因素是關鍵的，提高它的超導臨界溫度到底要靠什么方式，那么對實現室溫超導也是有很大幫助的。同時，在這個過程中還可能會發(fā)現很多有趣的物理現象。

問題四：如果研究被證實是可重復的，這種材料將帶來哪些變革？

如果這個工作被證實是可重復的，是真的，那確實對超導界會有比較大的“沖擊”。

從1911年超導現象被發(fā)現至今，已過百年，尋找可使用的超導體是超導領域一直以來的夢想。

在100多年的時間里，科學家們主要做的一件事情，就是不斷地尋找更高溫度的超導體，刷新超導臨界溫度的記錄。

各類超導體發(fā)現的年代和臨界溫度，插圖為典型的材料結構（來自《中國科學》）

為什么要做這件事？

一方面是從應用角度考慮，只有提高了它的臨界溫度，我們才可以不依賴那些低溫設備，應用超導材料的成本才會大大降低。

另一方面是從物理研究角度來說，做物理的人總是希望能把“條件”推到“極致”。比如，做粒子物理研究時，希望提高對撞能量，去看最基本的粒子里面到底是什么，做天體物理研究時，希望能盡可能地提高研究尺度，去看宇宙的未來是什么樣子的。我們做凝聚態(tài)物理時也一樣，也有我們的目標，目前來看，我們總能找到臨界溫度更高的超導材料，那有沒有超導材料的臨界溫度能達到室溫？甚至有沒有可能存在這樣的“神奇”材料，在遠超室溫下，都可以實現超導？

大家都在執(zhí)著地追求這個共同的夢想，如果Dias的這項研究被證實是可重復的，那我們就可以說這個夢想幾乎是實現了，我們可以進入下一個階段，再定一個新的目標，也是新的努力方向。

但是話說回來，我們聊聊大家最關心的應用問題。

即使這項研究被證實是可重復的，其實對應用來講，并沒有那么簡單，還有很長的路要走，甚至有可能走不通。

因為超導材料的應用非常復雜，不只是提高臨界溫度那么簡單。

如果一個超導材料能被應用，那么它要滿足三個參數的要求，除了臨界溫度，還有臨界磁場、臨界電流密度。

以臨界電流密度舉例。

大家都知道超導體的電阻是0，理論上來說，按照歐姆定律，分母已經是0了，那分子隨便來個數字，電流就是無窮大了。也就是說，隨便加個電壓，電流就無窮大。

可實際情況呢？

任何一種超導材料都有臨界電流密度，也就意味著當電流大到一定程度以后，它突然之間就會“失超”，也就是突然間變得不超導了。

不超導了會怎么樣呢？它突然間就會有電阻。本來在用它的過程中，就已經有了很大的電流，一旦出現電阻，它就會迅速發(fā)熱，溫度快速上升的后果是不堪設想的，甚至可以燒掉材料。

所以說，一種超導材料要想被應用，臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度都很重要，三個參數都要高，才能具備大規(guī)模應用的基礎。

不僅如此，大規(guī)模的應用還有許多實際的問題。

比如無法避免的“量產”問題。要知道，高壓實驗所生產的材料基本都是微克或毫克量級的，是非常非常小的一塊樣品，但是工業(yè)上的要進行使用的話，至少要噸級的量，制備成本就會阻止它的應用。

再比如，想象我們要做一根超導電線，這并不難，但是如果我要用這根電線做一個磁體呢？那就要繞線圈或者其他形狀，甚至要絞成電纜。這就意味著會出現很多不均勻的磁場的力，在受到這么多力的同時，還要求材料不能被破壞，這不是個容易實現的目標。

總之，從工程應用上說，有很多非常細節(jié)非常復雜的問題，對材料要求是非常高的。

這也是為什么在超導現象被發(fā)現的一百多年里，我們已經找到了一萬多種超導材料，甚至有一些溫度還算高，比如銅氧化合物的臨界溫度記錄是134 K，鐵基超導的臨界溫度記錄是55 K，但是我們現在應用廣泛的超導體依舊是傳統(tǒng)的超導體，叫鈮鈦（Nb-Ti）。它是一種鈮和鈦的金屬合金，柔性和韌性都非常好，好用，方便。

所以，大家一定要知道，并不是找到了一種室溫超導體，就馬上能用了，就立刻帶來技術革命、能源革命。現在還遠遠到不了這個地步。

問題五：應用條件這么苛刻，超導材料的應用還有戲嗎？

其實說到超導材料的應用，范圍是非常廣泛的，生活中也已經有了不少。

前面提到過，超導有兩個基本的現象，絕對的零電阻和完全的抗磁性。所以在我們所知道的能用到電和磁的地方，都有很強的應用。

與此同時，超導現象本身就是一種宏觀的量子凝聚態(tài)，所以和量子相關的領域它也可以應用。

具體來說，今天大家已經“不知不覺”得用上了一些超導材料的產品。

比如，深圳某著名大廈，使用了200多米的超導電纜。雖然超導電纜的造價比普通電纜高很多，還需要制冷設備提供低溫環(huán)境，但是它輸電是無損耗的，現在國產化的制冷設備成本也在降低，再考慮到深圳的土地價格，用超導電纜是十分劃算的。

超導輸電能極大減少能量浪費（圖片來源：instituteforenergyresearch.org）

再比如，到醫(yī)院做核磁共振，其實核磁共振的設備就是一個大超導線圈。醫(yī)生可能會問你，要做1.5特斯拉（磁場）還是3特斯拉（磁場）的檢查，這個磁場就是由超導線圈產生的。磁場強度越高，從人體獲得的信號越多，現在全世界都在攻關14特斯拉的核磁共振設備，如果實現的話，可以讓核磁共振圖像達到亞微米分辨率。這是什么概念呢？我們大腦神經元就是這個尺度。也就是說，通過這樣強度的核磁共振設備，能看到大腦神經元的活動。

除了生活中的應用，我們還期待更多優(yōu)秀的超導材料在未來大展身手。

比如，在基礎研究領域，用于制造超導加速器。想要看到粒子的基本屬性，就要制造能量很高的加速器。這種加速器可以借助超導磁體來實現，比如20特斯拉以上的超導磁體。

再比如，應用于可控核聚變。如果有非常大的超導磁體來約束核聚變，那絕對是造福全人類的一件事，能夠真正實現清潔、低損耗、高性能的發(fā)電，改變能源結構。

還有大家可能都聽過的磁懸浮列車。如果制造出超導磁懸浮列車，安全性和速度將比高鐵更加充滿想象力。

前面提到的都是強電領域的應用，在弱電領域，超導材料的應用同樣豐富。

我們可以做一些超導的小器件，像超導量子干涉儀（一種最靈敏的磁性探測裝置），超導濾波器等?；谶@些小器件，可以組合生產出更多器件，它們的應用就更加廣泛了，比如組成超導量子計算機的基本單元。如果超導量子計算機能實用化，給我們的科技、生活帶來的變化都將是巨大的。

可以說，近幾年超導材料的發(fā)展非常迅速，各方面投入都在加大。

回到Dias團隊的這項研究，我想給大家一個建議，可以關注，但沒必要太激動。還是那句話，一種材料從研究到實際應用，往往是要經歷漫長過程的。他們所報道的這種材料，是否能被重復實驗，以后到底能不能大規(guī)模應用，目前看都是要打很多問號的。

問題六：“AI for Science”背景下，人工智能對超導領域的影響正在發(fā)生

在Dias的研究中，我們也看到了AI的身影，這也是現在科研的趨勢。

以前我們找新的超導材料，基本上都是“盲目”瞎試，其他領域的人評價我們說，“你們做超導材料就是‘炒菜’，就把幾個元素混一混調一調，看它能出來什么樣的一個穩(wěn)定結構，然后再看它能不能超導?！?/p>

整個凝聚態(tài)物理其實也是在做這件事，合成不同的新材料，再去看材料性能。

但現在不一樣了。我們的計算機能夠輕松地算出材料結構、甚至是性能，比如我們物理所就建了一個材料數據庫，里面有幾十萬種材料的結構、基本性質和電子結構等，只需要點擊幾個元素符號，系統(tǒng)會告訴你這種材料是否存在、基本性質是什么，這就是數據庫工具的力量。

更進一步的，現在AI技術不斷發(fā)展，給出限定條件，它就可以幫助研究人員去搜索，找到可能符合條件的材料后，再利用超導的BCS理論，去計算是否能超導、超導臨界溫度是多少。不過話說回來，要用AI來尋找BCS理論之外的非常規(guī)超導體，目前來看是不現實的，因為還沒有合適的理論可以描述電子-電子具有很強關聯(lián)效應下的非常規(guī)超導現象，更不用說AI能不能幫忙了。

圖片來源：Pixabay

理論物理學家與實驗物理學家之間是什么樣的關系？

聊點題外話。

因為提到Dias，總是繞不開之前和他“對峙拉鋸”的理論物理學家Jorge Hirsch。

圖源：知乎網友@千張

APS會議現場圖。胳膊纏繃帶的是Jorge Hirsch老爺子，端坐的是Ranga Dias，據說雖然不讓提問，倆人現場休息時也交流了下（圖片來源見水?。?/p>

拋開二位，我想聊聊理論物理學家與實驗物理學家之間的關系。

到今天來看，二者之間的間隙其實是越來越大，甚至可以說是“漸行漸遠”了。

現在的科研分支越來越多，研究領域也越來越多，這都導致能研究的項目和議題都越來越多了。這就導致一個結果，就是一個人可能沒法集中精力去做多個領域的研究，特別是兼顧理論與實驗。如果這樣做的話，可能很難發(fā)論文，也可能很難拿到經費。而現在純理論物理學家們發(fā)展了很多理論模型，其中很多用實驗是很難驗證的，從實驗物理學家的角度說，很難有充足的時間和精力去學習那么多理論，很難搞懂那么多理論的對錯，更難弄清楚哪些理論對實驗是適用的。

這是一個現實的情況，導致理論和實驗的結合不是那么緊密，或者說理論和實驗并不是嚴格同步的。

這就導致可能會出現這些情況：理論物理學家們熱衷于建立自己的理想模型，如果模型和實驗數據對不上，那就根據實驗數據去調模型，而實驗物理學家們則做實驗，找新材料，再看實驗現象和哪個理論最靠近，就套哪個理論，不太相符的話，再解釋一下這個理論可能有什么問題。

實驗不能完全驗證理論的正確與否，理論也不能完全預測研實驗的準確性。

我想也許不止物理領域，其他領域可能也出現了這種現象。

寫在最后：學術圈也在追求 “大新聞”嗎？

回顧這次事件的全過程，無論是學術出版方還是新聞媒體的做法，不管是論文在《Nature》上線的時間，還是APS會議現場“不允許提問”的奇特要求，似乎都有“博眼球”的嫌疑。

不過與此同時，我們也要關注到，除了發(fā)表Dias的論文，其實《Nature》還上線了同行科學家的評論。在評論中，他們都提到了這項工作的重要性和可能存在的疑問，非常清晰?！禨cience》也上線了一篇對這一工作的評述文章。這些專業(yè)的學術評論文章，大家都可以看看。

我覺得這也是科學研究很有魅力的地方，我們可以不斷去質疑、去證偽，即使是“大戰(zhàn)”過的Hirsch和Dias，大家也不會現場真正動手吵起來，而是以科學事實為依據去討論問題。

最后，也許明天，也許下周，你就會不記得今天發(fā)生了什么。在喧囂過后，依然想懇請大家給基礎科學研究更多支持，說不定哪一天又有新的熱鬧出現。

作者：羅會仟（研究員，科普作家）

作者單位：中國科學院物理研究所

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