超導(dǎo)體又熱起來(lái)啦！

1987年3月19日，一則科學(xué)新聞罕見(jiàn)地登上了全世界報(bào)刊的頭版頭條。

這條新聞與超導(dǎo)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破有關(guān)。超導(dǎo)體是一種能夠零電阻傳輸電力的材料。一旦研制出一種實(shí)用的超導(dǎo)體，必將在能源的儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面引發(fā)一場(chǎng)革命，而這正是身處全球氣候變暖時(shí)代的我們夢(mèng)寐以求的。

美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在高壓下制造常溫超導(dǎo)體。

33年過(guò)去了，這場(chǎng)革命仍在期待之中。不過(guò)，最近又有了進(jìn)展。我們已經(jīng)制造出一種接近室溫條件下工作的超導(dǎo)體。而且，過(guò)去尋找高溫超導(dǎo)材料（實(shí)際是常溫超導(dǎo)材料），我們一直靠瞎摸瞎撞;而現(xiàn)在，理論和實(shí)驗(yàn)正在結(jié)合，為這一領(lǐng)域開(kāi)辟新的途徑。

低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)

說(shuō)起超導(dǎo)，這是一個(gè)很長(zhǎng)的故事。這里我們只能長(zhǎng)話短說(shuō)。

1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，水銀在4.2K下突然完全失去電阻。由此，他提出“超導(dǎo)”這一概念。一種材料變成超導(dǎo)體的溫度，被稱為“轉(zhuǎn)變溫度”。第二年，錫和鉛也被發(fā)現(xiàn)能變成超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度分別為3.8K和7.2K。隨后其他金屬，通常是鈮錫等合金，也被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。

這些材料被稱為低溫超導(dǎo)體或傳統(tǒng)超導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈冎荒茉跇O低溫度下工作。1950年代，三位物理學(xué)家發(fā)展了第一個(gè)超導(dǎo)理論——BCS理論，向我們揭示了低溫超導(dǎo)的原理：金屬中的電子可以兩兩配對(duì)，利用量子特性繞開(kāi)晶格中的正電荷，實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗移動(dòng)。但這種配對(duì)在較高溫度下會(huì)被破壞，這就是超導(dǎo)只有在低溫下才能實(shí)現(xiàn)的原因。至少直到最近，傳統(tǒng)超導(dǎo)體最高只能在40K左右的溫度下工作。這意味著它們必須使用昂貴的液氦（4.2K左右）進(jìn)行冷卻。

1987年讓世界如此興奮的是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了溫度100K以上的超導(dǎo)材料。這是一個(gè)巨大的飛躍，因?yàn)樗鼈冎恍栌孟鄬?duì)容易獲得的液氮（77K左右）冷卻。這被稱為高溫超導(dǎo)體。第一批高溫超導(dǎo)材料是銅氧化物。到1993年，科學(xué)家已將最高的超導(dǎo)溫度推進(jìn)到133K，朝室溫293K（相當(dāng)于20℃）邁進(jìn)了一大步。

然而，令人沮喪的是，高溫超導(dǎo)此后很長(zhǎng)時(shí)間再也裹足不前了。一個(gè)重要原因是，科學(xué)家無(wú)法從理論上解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，缺乏理論指導(dǎo)，他們只能瞎摸瞎撞。

高溫超導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用上也是個(gè)問(wèn)題。銅氧化物超導(dǎo)體像很脆的陶瓷材料，你無(wú)法把它們拉成細(xì)線。它們的制造成本很高，稍有雜質(zhì)污染即失效。

低溫超導(dǎo)體需要極低的溫度，高溫超導(dǎo)體無(wú)法拉成導(dǎo)線，這就極大地限制了它們的應(yīng)用。不過(guò)即便這樣，由于超導(dǎo)體那無(wú)可替代的優(yōu)越性，它們已經(jīng)在局部領(lǐng)域大顯身手。譬如，歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上引導(dǎo)粒子的強(qiáng)磁場(chǎng)以及醫(yī)院核磁共振掃描儀使用的強(qiáng)磁場(chǎng)，都是由超導(dǎo)體提供的。它們通常是鈮錫合金，用液氦冷卻到4K或更低。

兩項(xiàng)新的突破

最近一些年，冷寂已久的超導(dǎo)體研究又迎來(lái)了新的突破。一個(gè)是石墨烯超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。石墨烯是單個(gè)原子厚度的碳膜。將兩片石墨烯放在一起并稍加扭曲，就會(huì)使其成為超導(dǎo)體。石墨烯超導(dǎo)體雖然只能在1.7K溫度下工作，但至關(guān)重要的是，它似乎與銅氧化物的高溫超導(dǎo)遵循同樣的原理。這意味著，搞清楚石墨烯的超導(dǎo)機(jī)制，有助于理解高溫超導(dǎo)是怎么實(shí)現(xiàn)的。

2020年底，另一項(xiàng)成果引起人們極大的興趣。說(shuō)起來(lái)，這又是一個(gè)長(zhǎng)故事。早在1968年，美國(guó)物理學(xué)家尼爾·阿什克羅夫特證明，如果把氫變成固態(tài)的金屬氫，它里面的電子就會(huì)兩兩配對(duì)，在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。但氫氣需要在上百萬(wàn)大氣壓的超高壓下才能變成金屬氫，而這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室并不容易實(shí)現(xiàn)。此后，阿什克羅夫特繼續(xù)研究，并在2004年從理論上證明，在極端高壓條件下，即使不是純的氫，只是氫化物，在室溫也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上引導(dǎo)粒子的超導(dǎo)磁鐵

受阿什克羅夫特工作的啟發(fā)，20 0 6年，英國(guó)劍橋大學(xué)的材料科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一個(gè)軟件，可以讓人通過(guò)計(jì)算來(lái)探索一種固體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析其電子在特定溫度下的表現(xiàn)，從而確定其成為超導(dǎo)體的潛質(zhì)。由于計(jì)算比做實(shí)驗(yàn)更快，成本更低，這就為科學(xué)家提供了有力的指導(dǎo)。

高壓下的高溫超導(dǎo)

受到該軟件的啟發(fā)，2015年，一位德國(guó)物理學(xué)家使155千兆帕高壓下（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的150萬(wàn)倍）的固態(tài)硫化氫，在203.5K（約-70℃）實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)。

2020年，一個(gè)美國(guó)研究小組制造出一種在287K（相當(dāng)于14℃）下超導(dǎo)的材料。這是第一次在類似于室溫的條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。他們通過(guò)在兩顆鉆石之間擠壓材料，達(dá)到了267千兆帕的高壓（接近地核處的壓強(qiáng)）。

這意味著，只要給予很高的壓強(qiáng)，傳統(tǒng)超導(dǎo)體在室溫下工作也是可能的。為什么傳統(tǒng)超導(dǎo)體會(huì)有這種特性呢？這就需要我們發(fā)展BCS理論，從理論上作出解釋。一旦有了新理論，我們或許就能預(yù)言在壓強(qiáng)不特別高的條件下實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的新材料。這樣的理論至今還付之闕如，但應(yīng)該為時(shí)不遠(yuǎn)。2020年，有人根據(jù)一個(gè)初級(jí)理論，已經(jīng)預(yù)言了一種材料，只需要100千兆帕壓強(qiáng)，就能在0℃將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。

最后，需要說(shuō)明的是，當(dāng)我們談起超導(dǎo)革命的時(shí)候，往往想到的是“室溫超導(dǎo)”;但“室溫”并不是一個(gè)必需的條件。只要找到一種材料，它相對(duì)便宜，可以容易地拉成導(dǎo)線，并能在液氮溫度（77K左右）下工作，就可以啟動(dòng)這場(chǎng)革命。

例如，這就足可以讓我們更便宜地制造核磁共振掃描儀，擴(kuò)大其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。在電力傳輸中也是如此。使用液氮冷卻并不是一個(gè)障礙。給電纜制造真空瓶式的外套以阻止液氮過(guò)快沸騰，在今天其實(shí)是相當(dāng)容易的事情。

拓展閱讀

超導(dǎo)體將如何改變世界？

在普通高壓電纜的長(zhǎng)距離傳輸中，大約10%的電能會(huì)被損耗，因此用超導(dǎo)體制造電纜，實(shí)現(xiàn)在室溫下零電阻地傳輸電力，將是一個(gè)大變革。此外，電流在環(huán)形超導(dǎo)體中可以零損耗地持久流動(dòng)，所以我們可以將來(lái)自可再生能源的電力儲(chǔ)存在超導(dǎo)電路中，待到需要的時(shí)候再使用。這樣，超導(dǎo)體不僅為我們節(jié)省能源，也為我們減少溫室氣體的排放作出貢獻(xiàn)。

使用超導(dǎo)體，用更細(xì)的導(dǎo)線即可傳輸更強(qiáng)的電流，這就可以提高電機(jī)的發(fā)電效率，減輕其體重，在電動(dòng)汽車中將獲得廣泛的應(yīng)用。在未來(lái)的核聚變反應(yīng)堆中，由于參加聚變反應(yīng)的等離子體溫度極高，沒(méi)有一種實(shí)體的容器能夠“盛放”這種等離子體，所以我們只能求助于用強(qiáng)磁場(chǎng)將其懸浮、限制在空中。這種強(qiáng)磁場(chǎng)，也只有超導(dǎo)體才能提供。