陳仙輝，中國科學院院士，深耕超導領域30余年。長期以來他一直堅持新型非常規(guī)超導體的探索及超導和強關聯物理的研究，在非常規(guī)超導體和功能材料的探索及其物理研究方面，取得了一系列有國際影響力的重要成果，發(fā)現了鐵基超導體、有機超導體等一系列新型超導體，取得了系統(tǒng)性和創(chuàng)新性成果，是國際上該領域有重要影響的科學家之一。
在電影《阿凡達》中，那一座又一座懸浮在云端的哈利路亞山，讓人驚嘆不已，究竟是什么神秘的力量能夠懸空“托起”這一座座大山呢？是因為山中蘊藏著一種神奇的室溫超導礦石，它借助強大磁場懸空托起了哈利路亞山。那么，究竟什么是超導材料？它為何擁有如此強大的磁懸浮力量？
超導有哪些特性
超導是一種特殊的物理現象。普通的導體可以導電，但是因為有電阻存在，所以會發(fā)熱，電流損耗比較大。然而，科學家發(fā)現，在極低的溫度下，普通導體的電阻竟然會離奇消失，導電時不僅沒有損耗，還擁有了一系列不可思議的特性，變成了一種神奇的材料——超導體。那么超導是怎么被發(fā)現的呢？它有哪些令人驚嘆的特性呢？
1896年科學家詹姆斯·杜瓦液化了空氣，空氣的液化主要就是氮氣的液化，氮從氣態(tài)變成液態(tài)以后就達到了77K（開氏溫度，即熱力學溫度），開氏溫度（K）=攝氏度（C）+ 273.15，77K接近于零下200攝氏度。在零下200攝氏度一個物質狀態(tài)如何，這是我們一直想知道的。杜瓦把溫度降到77K以后，他測量了水銀的電阻，但是非常遺憾，他并沒有看到電阻趨近于0，而是有一個有限值。13年以后荷蘭科學家卡默林·昂尼斯實現了最后一個氣體的液化，也就是氦氣，氦氣的液化溫度達到4.2K。非常神奇，在接近4.2K的時候，汞也就是水銀的電阻突然消失了�？�·昂尼斯敏銳地感覺到這是進入了一個新的物理狀態(tài)，而這個物理狀態(tài)他就把它稱作為超導態(tài)，這就有了超導的概念。
安德森和羅尼爾在1962年用超導體做了一個線圈通以電流，然后把電源切斷，電流持續(xù)地在里面運行。然后測量它周圍產生的磁場，發(fā)現它的電流沒有任何衰減。這就證明超導電阻是零，這是超導的第一個特性。超導還有另外一個特性就是完全抗磁性。1933年兩個科學家——邁斯納和奧切森菲爾德在研究一個超導體錫（超導溫度3.7K的超導體）的時候，發(fā)現它在磁場里面是不被穿透的。在超導體發(fā)現之前，人們對磁場的認識就是任何物體，包括人體在內的生命體都能被磁場穿透，但是超導體處在超導態(tài)的時候，它里面的磁感應強度始終為0。磁場是不穿透超導體的，這是它的第二個特性。從科學意義上來講，完全抗磁性比零電阻對于超導體來講，是更基本的一個物理性質。
超導還有另外一個神奇的性質，就是磁通量子化。超導體的磁通量子化是實現磁懸浮的基礎之一。這究竟是一種什么神奇的特性呢？簡單來說，雖然超導體有完全抗磁性，但是，當超導體存在雜質等缺陷，而外界磁場大到一定程度時，少量磁場就會進入超導內部，出現并被固定在缺陷附近，像被釘子釘住一樣，這被稱為“磁通釘扎”。在這種狀態(tài)下，超導體就能與外界磁場形成一種穩(wěn)定相互作用，懸浮起來。“釘扎效應”在超導磁懸浮的設計和應用中起到重要作用。通過控制外部磁場的強度和超導材料的特性，就可以使得超導磁懸浮具有很好的穩(wěn)定性和抗擾動能力，從而實現更高性能和更可靠的磁懸浮系統(tǒng)。
超導里面有兩個關鍵的因素，第一個就是要發(fā)生超導，需要兩個電子形成一對庫珀對；第二個就是庫珀對之間要發(fā)生相干。1992年李政道和著名漫畫家華君武有一次對話，華君武問李政道，你們講的超導是怎么回事？李政道講，超導就是要配對，還要相干。然后華君武就畫了一幅畫。兩個蜜蜂配對以后，就在天上飛，而單個的蜜蜂就在碳60球上爬，因為它不超導，不超流（沒有超導電流），但是相干怎么表現？兩個蜜蜂的翅膀的朝向完全一樣，表現它的相位相同，來實現相干。華君武還寫了一句話：“雙結生翅成超導，單行苦奔遇阻力。”準確地描繪了超導的這樣一幅場景。
超導材料都有哪些神奇的應用
1度電，能讓燒水壺連續(xù)工作1小時，能讓音響連續(xù)工作30小時。城市中每1度電的傳輸都離不開電纜。但電纜有電阻，電力在傳輸過程中損耗非常大，損耗率在5%—10%之間，傳輸距離的增加，還會使損耗率增加。而隨著史上最強35千伏超導電纜的橫空出世，電力線路損耗的難題終于得到解決，在“超導技術”的加持下，它可以實現幾乎零電阻。相比傳統(tǒng)輸電方式，在滿負荷運行的情況下，它能夠以35千伏“小”電纜，成功輸送2160.12安培的電流，達到220千伏“大”電纜的輸送能力，大幅減少高電壓等級變電站建設所需空間。超導材料還有哪些神奇的應用？
當今社會發(fā)展的三大關鍵技術就是能源技術、信息技術和生物技術，而超導材料跨界能源和信息兩個技術，這就奠定了它廣泛的應用前景。超導肯定是一個要取代現有輸電技術的戰(zhàn)略性技術。超導有兩種應用：一種是強電應用，一種是弱電應用。強電應用第一和能源有關，第二和交通有關，第三和生物醫(yī)學有關。還有一個弱電應用，就是超導量子干涉器或者干涉儀，量子比特、量子計算等等�？傊瑢强梢栽谀茉春托畔⒌阮I域帶來深刻變革的一個戰(zhàn)略性的科學技術。
目前正在應用的超導材料分為高溫超導和低溫超導兩類，都要處于極低的溫度才能實現超導，臨界溫度為25K—30K，也就是零下248攝氏度至零下243攝氏度，低于這個溫度的超導體為低溫超導，高于這個溫度的超導體為高溫超導。低溫超導對低溫的要求更高，一般需要在昂貴的液氦環(huán)境中工作，雖然已經應用于許多領域，包括磁共振成像、粒子加速器、磁懸浮列車等，但昂貴的制冷劑限制了應用范圍。相比之下，高溫超導只需要在低價的液氮中，因此應用空間更加廣闊。
室溫超導技術會給世界帶來哪些驚喜
如果盤點2023年科技領域引發(fā)全球吃瓜的大事，室溫超導應該榜上有名。室溫超導這把火是由美國科學家迪亞斯燒起來的，2023年3月8日，美國科學家迪亞斯在美國物理學大會上宣布，在1萬個大氣壓（1Gpa）下實現了室溫超導，語驚四座。要知道，最近5年科學家們研究超導材料，都是在200多萬個大氣壓以上（200GPa）條件下進行的，這相當于地球核心承受的壓力，難度可想而知。所以，當迪亞斯團隊宣稱把壓力降低至不到原來的1/200之后，引爆了全球科技界！一波未平一波又起，2023年7月22日，韓國室溫超導團隊連續(xù)發(fā)表了2篇論文，聲稱“首次”發(fā)現了室溫常壓超導材料LK-99，再度在全球掀起超導旋風。但僅僅過了3個多月，事件出現反轉。11月，《自然》雜志撤掉了迪亞斯的“室溫超導”論文，緊接著，韓國團隊的驚天發(fā)現最終也無法被證實。熱鬧了大半年的室溫超導大戲暫時告一段落。為什么全球科學家會對室溫超導這么關注？室溫超導技術又會給世界帶來哪些驚喜？
之所以說“室溫超導”是一項突破性的技術進展，是因為它與傳統(tǒng)的超導現象有著很大的不同。傳統(tǒng)的超導材料只有在極低的溫度下才會表現出超導現象，這使得其應用范圍受到了很大的限制。例如，銅氧化物超導體只有在零下135攝氏度左右，才能實現其超導特性，用液氮冷卻（液氮的溫度是零下196攝氏度），可達到超導特性所需的溫度，目前其廣泛應用還需大量研究。因此，傳統(tǒng)的超導材料在使用時，需要特殊制冷設備支持。而室溫超導則意味著，在室溫下，也就是20到30攝氏度，就可以實現超導，無需特殊的制冷系統(tǒng)。室溫超導技術如果能實現，將在提高能源利用效率、加速交通運輸、實現更高的計算速度等方面帶來前所未有的顛覆性突破。
室溫超導體會不會被發(fā)現？我的看法是，到目前為止，沒有任何物理的理論能說明室溫超導不可能實現，這是第一點。第二點實際上超導是一個宏觀量子效應，它會有一個能量尺度，但是在宏觀量子效應里面，在實現室溫下觀察宏觀量子效應有沒有先例？有！在石墨烯上我們看到了整數量子霍爾效應這樣一個宏觀量子效應，從這個角度來講，室溫并不是無法實現超導的。另外，從材料的角度來講，銅基超導已經實現了135K（零下138.15攝氏度）這樣一個溫度，如果從能量尺度來講也就是翻一倍，到270K（零下3.15攝氏度），我覺得從能量尺度來講也是可能的。但是我們還是要腳踏實地認真探索，有很多技術上的挑戰(zhàn)要一步一步做。超導技術為什么比我們想象的應用場景要少，沒有發(fā)揮那么大的作用？是由于它有很多的支撐技術、冷卻技術、力學技術等成本問題。如果上升到室溫超導，制冷的這個問題就不用考慮了，這樣的話，它的應用場景肯定就多了。室溫超導不用冷卻，成本可以大大地降低，在很多場景都能應用。超導既是能源技術，也是信息技術，在材料領域能發(fā)揮巨大的作用。
超導研究從科學角度來講有三大任務：一是包括銅氧和鐵基高溫超導體的非常規(guī)超導的微觀機理的解釋；二是要探索適用于應用或者高臨界溫度甚至是室溫的超導體；三是超導體的廣泛應用。比如超導計算機量子計算、超導芯片、強電、強磁場的應用，超導領域的科學家普遍認為這些挑戰(zhàn)的解決，都是諾貝爾獎級的工作，關鍵還是新超導體材料的發(fā)現。人類的文明是可以用材料來劃分的，遠古時期是石器時期，然后是青銅器時期，晶體管誕生以后，現在硅支撐起了信息技術。從這個角度來講，室溫超導體可能是推動下一次技術變革的一個有力的候選材料。這就是為什么有關室溫超導的信息極大地引起社會關注的原因所在，室溫超導體可以作為能源信息材料在科學研究、信息計算、通信、生物醫(yī)學、電力、交通、能源等領域廣泛應用，被認為是能夠支撐下一代人類文明的關鍵材料。室溫超導體的發(fā)現和可控核聚變的實現將會永久性地解決人類面臨的能源問題。
超導研究的展望
超導研究的一個展望是突破半導體的技術瓶頸。半導體技術發(fā)展到現在，集成電路已進入亞10納米技術，但實際上半導體技術里面有幾個瓶頸：一是計算機的速度瓶頸，二是功耗瓶頸，三是制造瓶頸�，F在大家聽到的、看到的主要是制造瓶頸。比如說荷蘭阿斯麥公司的光刻機問題，因為我們沒有光源，這是制造瓶頸。實際上還有另外一個很大的瓶頸，就是功耗的瓶頸，因為功耗太大，超級計算機應用的電費太高、成本太高。從可持續(xù)發(fā)展的角度來講，功耗是限制超級計算機可持續(xù)發(fā)展的一個重要瓶頸。如何來解決功耗問題，是半導體工業(yè)必須解決的問題。國內現在所有的大數據中心基本上都放在西北，那邊有兩個優(yōu)勢：一是平均溫度，西北一年的平均溫度比東部和南部要低很多；二是西北能源的價格比發(fā)達地區(qū)要低很多，這是一個很大的優(yōu)勢。能耗包括兩部分，計算機芯片本身在運行過程中的損耗會產生熱，怎么把熱排出去，散熱是一個很大的問題。大家知道，臺式計算機只有一個小風扇，如果這個小風扇壞掉了，那機器就沒法運行了，這就是環(huán)境溫度、工作溫度的問題。如果用超導的話，它本身功耗小了，散熱可能也就便利了，或者說成本也就低了。現在我們講人工智能和ChatGPT，就是利用機器學習，大量地在使用運算大功率、高速的超級計算機，但功耗很大。我們就渴望有一種技術能夠克服或者改善，超導在這方面肯定是一個選擇。超導集成電路具有顯著的速度、功耗、制造和生態(tài)優(yōu)勢。實際上在這方面超導數字計算機已經開始嘗試，比如美國的泰坦號。超導集成電路是后摩爾信息技術的一個重要方向，未來的能源工業(yè)、電力傳輸、交通、醫(yī)療等領域都會因超導技術的應用發(fā)生翻天覆地的變化。我們期待室溫超導的實現，推動人類文明的發(fā)展。
（原標題：神奇的超導體，奇在哪里）
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