超导的未来在中国     

罗会仟

很多人问我：未来几年内，中国在基础前沿领域有没有可能取得重大突破？

这个问题的答案是肯定的。过去十余年，中国建设了许多世界级的大科学装置，随着它们投入使用，必然会有越来越多的前沿科学突破出现在中国。而我想进一步回答的是，重大突破可能会出现在哪些领域，会给我们的生活带来什么变化？

在这里，我将结合我在超导领域的研究，和你探讨那些值得期待的前沿科学突破。

2023年，有两起“室温超导”的乌龙事件引爆全网，讨论热度持续良久。2023年3月7日，美国罗切斯特大学的迪亚斯（Ranga Dias）等人宣布发现了一种高压室温超导材料，它由镥、氮、氢三种元素组成，在10000个大气压下可以出现294 K，也就是21℃左右的温度下表现超导电性 （0 K = -273.15 ℃）。同年7月22日，韩国量子能源研究中心公司相关研究团队声称发现了首个常压室温超导材料改性铅磷灰石，它被命名为LK-99。LK-99的超导临界温度接近400K，约为127℃。

这两起“室温超导”的新闻传出后，科学家们热烈讨论，今年的诺贝尔物理学奖是不是板上钉钉了？产业界开始畅想，这种零电阻的材料是否能推动第四次工业革命？只是，惊喜来得太猛，打脸也来得太快。无论是高压室温超导，还是常压室温超导，相关研究结果都被迅速证伪。要么是原始数据存在操纵造假的嫌疑，要么是数据质量低劣到不具有任何说服力，最终这两种材料被证明离真正的超导还差十万八千里。

（既可以“上浮”也可以“下悬”高温超导磁悬浮现象）

有没有希望实现室温超导？

看到这里，估计你会满脸疑惑，就这？一年之内被啪啪打脸两次，对你们超导领域还能有什么期待呢？

别急，这正是我接下来要告诉你的，因为证伪“室温超导”材料的不是别人，正是来自中国的科学家群体。当网友们还在突击学习超导知识，自媒体还在爆料各种小道消息时，中国的超导科学家们已经理性并且迅速做出了反应。

事实上，在2023年3月7日迪亚斯做报告的现场，很多科学家就已经提出质疑，其中包括长期和迪亚斯“斗争”的乔治·赫希（John Hirsch）教授、著名超导专家朱经武先生等。3月8日和3月10日，我所在的物理研究所通过直播和专场报告会，揭示了这个所谓的“室温超导”材料研究存在的问题，特别是其证据存在数据操纵的嫌疑。

在随后的一个月里，中国科学家用可靠的实验结果说明，镥-氮-氢材料根本不具备超导性，实验中看到的电阻下降应该是测量错误；迪亚斯等人报道的材料颜色变化极有可能源于镥-氢材料，它在极端高压下（近200万大气压）可能在70 K（约-203 ℃）左右实现超导，但这与所谓的室温超导相差甚远。至于其他的实验结果，用一句话概括就是：许多奇奇怪怪的现象基本能被重复，但偏偏就涉及超导的电、磁、热等三个关键实验结果无法被重复。后来的事情大家可能都知道了：《自然》杂志成立调查组，经过数月的调查取证，确认关于迪亚斯的16项学术不端的指控均成立。镥-氮-氢高压室温超导的论文因存在抄袭、捏造、篡改实验数据等问题被撤稿。

至于2023年7月的室温超导LK-99，超导领域的科学家们从一开始就不认为它能证明超导性。原因很简单，要证明一个材料是超导体，必须在足够低温度下呈现出绝对零电阻和完全抗磁性这两大性质。超导体的电阻为零，而且是绝对的零，并非任何一个大幅度的电阻下降现象就能等价于超导。超导体的抗磁性很强，弱磁场中可达到-100%抗磁体积，远超自然界最强抗磁为-0.041%的石墨。LK-99的原始论文数据并不满足这两点，中国科学家随后更是通过严格标准的实验，证明这个材料含有大量绝缘性杂质，纯度很差，电阻的突变实际上是由杂质的绝缘体-金属相变造成的。换句话说，大家吵了大半年，结果LK-99是一个绝缘体，连导电都谈不上，又何谈超导？！

其实，室温超导这种“狼来了”的故事几乎每隔几年就会上演。自1911年超导现象被发现以来，在113年间，已经有不少于10次声称发现室温超导的报道了。只是在网络自媒体特别发达的今天，此类报道才会引起如此多的关注。

尽管2023年这两起室温超导事件的结果让大家很失望，但请不要绝望，因为发现室温超导的希望仍然存在，科学家们已经提出多种比较明确的科学思想和技术路线。

我们可以通过“量子调控”来调节材料内部的相互作用、载流子浓度、表面界面和内外压力等，从而提升超导体的临界温度。我们也可以借助“原子智造”来设计材料的功能结构单元、调整不同原子层的扭角和三维结构。甚至我们可以借助“人工智能”，分析实验的大数据和计算结果，从而高效筛选潜在的超导材料。这种方法已经帮助科学家发现了多种新型超导体。

所以，我们应该有“室温超导材料会在未来的数年里被发现”的预期。只不过，它有可能不是你想象中的块体材料，也许并不能用来做强电强磁应用。它有可能是组装薄膜、表界面、低维材料等形式，在电子器件等方面展现出应用价值。

（探索室温超导的科学方案）

超导研究的三大核心主题

这里还要强调一点，虽然室温超导被称为物理学皇冠上的明珠，但它也只是其中的一颗而已。无论是对于从事超导基础研究的科学家，还是对从事超导应用研究的科学家来说，提高超导体的临界温度仅仅是目标之一。超导研究的核心主题在于，如何找到更优质的超导材料，如何深入理解超导现象背后的微观机理，以及如何让超导材料真正实现规模化应用。中国科学家群体之所以能对上述两起室温超导“狼来了”事件做出准确、快速的响应，是因为他们对于这几个核心主题的研究已经走在了世界最前列。

首先，我们来看对超导材料的探索。在这方面，中国科学家们不断发现新的超导体，而且其发现在近些年有加速的趋势。

要知道，超导因为依赖昂贵的液氦来维持极低温环境，光是科研的成本就令人望而却步，所以早期超导的研究进展是极其缓慢的。从1911年第一个发现的超导体金属汞，到1973年的铌三锗合金，超导临界温度从4.2 K提升到23.2 K，花费了60多年！到了20世纪80年代，铜氧化物高温超导体被发现，临界温度从35 K提升到93 K，仅用了数月时间。2018年，铁基超导体从发现到临界温度突破40 K，前后不过一个月。到了2023年，室温超导现象从首次提出到初步被证伪，用时仅一周。而在上述探索超导材料的里程碑事件中，中国科学家扮演的角色变得越来越重要。

除了大家可能比较熟悉的铜基高温超导和铁基高温超导，要是我们回到元素周期表上看看，会发现邻近的铬、钒、锰、钴、镍等元素也成为研究热点。在铬基、锰基、镍基超导体首次被发现的过程中，中国科学家做出了重要贡献。他们对于钒基和钴基超导体的研究同样硕果累累。另外，在镍氧化物超导体领域，中国科学家率先实现了液氮温区的突破。尽管这种超导体仍需在高压条件下才能实现，但科学家们经过严谨验证，确认了其零电阻和抗磁性，并在类似结构的材料中发现了更多超导体。值得关注的是，镍基超导体取得的突破性成果已经引发了新一轮的高温超导研究热潮，而这一次，中国科学家们是绝对的主角。

岔开来说一句，判断一个超导材料是否好用，不能只是看它的临界温度高不高，还要看它承载强磁场、大电流的能力如何，并综合比较它的机械性能、化学稳定性、毒性、性价比等。针对不同的超导应用场景，还还会有更具体的参数要求。所以，并不是一个室温超导就能做到“赢者通吃”。相比室温超导是否能实现，科学们更关心找到的超导材料好不好用，以及它会有什么有趣的物理性质。

（超导的典型应用）

其次，在超导微观机理研究方面，中国科学家取得的进展也越来越重要。

超导研究的重要性，不仅仅在于它具有巨大的应用价值，还在于它刷新了人们对材料导电现象的物理认知。对于从事基础科研的科学家来说，去尝试理解一个复杂的物理现象，满足自己的好奇心，有时要比发现这个现象本身更令人激动。早在20世纪50年代，巴丁（John Bardeen）、库珀(Leon Cooper)和施里弗(John Robert Schrieffer)等人提出了一种解释传统金属和合金超导现象的微观理论，后来被称为BCS理论。该理论的核心思想是，电子在特定条件下会发生相互吸引并成对，形成超导状态。你不用去理解这个复杂的理论，你只要知道，BCS理论对整个物理学界产生了深远影响——粒子物理中的自发对称性破缺和希格斯粒子理论都借鉴了它的核心思想。这也是为什么像爱因斯坦、玻尔、海森堡、费曼这样伟大的物理学家都对超导现象如此着迷，只是很遗憾，他们并没有在这一领域取得实质性的突破。

今天，我们已经发现了成千上万种超导体，但只有很少一部分符合BCS理论的解释。也就是说，我们对绝大多数超导体的微观机理仍不清楚，其中就包括前面提到的铜基、铁基、镍基等高温超导体。

要理解这些材料的超导机制，就要对其电、磁、热等性质进行综合测量，同时借助多种微观实验手段探测超导状态发生前后材料内部电子运动状态的变化，并进一步研究它在不同环境下变化的规律，这就是超导的微观机理研究。

近年来，中国在基础科研设施、实验条件保障和科研团队建设方面的进展显著。在新型超导材料发现后的短短数周，甚至数天内，中国科学家就能够迅速掌握其基本物理特性。后续在更深入的研究中，他们也能提出关于高温超导机制的重要见解。

就我个人而言，我利用中子源等大科学装置，对高温超导材料中的磁性相互作用进行定量研究，目前已发现许多铁基超导体的普适规律，并系统性地比较了它们与铜基高温超导材料的异同。

（铁基超导体中的磁性相互作用及超导配对机制）

在不久的将来，如果我们能够理解高温超导机理，就有望建立一套描述强关联多体系统的理论框架，它和我们现在采取的描述弱关联单体系统的物理模式截然不同。而这一突破将颠覆现有的物理学研究范式，引发一场真正的科技革命。

最后，在超导的应用基础研究和产业化进程方面，中国正在加速推进。

相比材料探索和机理研究，我想你更关心的是超导技术能否应用于现实生活，未来我们能否步入一个全新的超导世界？

超导材料不像半导体那样广泛应用于手机、计算机和照明设备，似乎离我们的日常生活较远。你或许可以在医院的核磁共振成像仪里找到超导磁体，可以在手机基站里找到超导滤波器，可以在磁悬浮列车里找到超导块材。然而，由于超导材料通常需要低温环境，许多人认为它的应用受限，似乎一直停留在实验室阶段。

但事实不是这样的。低温技术的进步让超导的规模实用化逐渐成为现实。如今，在闭路循环制冷机里达到液氮温度（77 K）甚至液氦温度（4.2 K）以下，都不是很难的事情。比如在深圳平安金融大厦，供电用的是一条400米长的高温超导电缆，其输电能力是传统电缆的5倍，输电损耗仅为普通电缆的1/5。用国产制冷机维持温度大约在60 K左右即可稳定运行。只是，高温超导电缆的建造和维护成本还是比普通电缆高许多，你可能会问，为什么还要用它呢？因为人们发现，如果要为大厦扩容电力供应，使用普通电缆就需要在地面架设高压电塔。而这样一来，周围将无法建设高楼，可能导致数百亿的地皮损失。相比之下，高温超导电缆可以直接埋入地下，占据原先一条电缆的空间就可以了。尽管它的造价约为1亿元，但考虑到节省的土地成本，这样的方案依然非常划算。

以超导线带材为例，能否实现规模化应用，关键在于不断提升其综合性能、降低技术成本、大幅扩大产能等。在过去20年间，中国在超导线带材领域的发展进入了快车道。2003年2月，中国以全权独立成员的身份加入了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，承担为超导磁体提供208吨NbTi和Nb₃Sn超导线材的任务。彼时，中国的西部超导公司生产超导线材的能力还在百公斤级，而到2017年就顺利完成了百吨级线材的交付。经过多年技术攻关，西部超导公司的钛合金产能已达到万吨级，成为国防领域的重要供应商之一。

2011年，国内首根百米级第二代高温超导带材在上海诞生，上海超导公司也因此成立。当时这家公司仅有一套完整的生产测试设备，产能也不过公里量级。而在2021年拿到C轮融资以后，它的产能达到了400公里；2023年拿到D轮融资并搬迁到新厂区后，产能扩大到了4000公里。也就是说，这家公司的产能在10年左右的时间里扩大了近1000倍。未来，上海超导公司必将超越日本FFJ、俄罗斯SuperOx等公司，成为世界最大的高温超导带材供应商。

（上海超导公司的二代高温超导带材）

除了上海超导公司，国内还有多家公司致力于高温超导带材的生产，包括上创超导、东部超导和广东超导等。合肥的夸夫超导则专注于二硼化镁线材的生产。此外，还有以超导应用技术为主的公司，如西安聚能、羲和超导、原力超导、英纳超导和八匹马超导等。

在新型超导线带材应用基础研究方面，首根百米级的铁基超导长线于2016年诞生在中国科学院电工研究所，千米级的铁基超导线材生产基地也已完成建设并投入使用，即将迈向实用化市场。中国的超导产业发展可谓如火如荼 ！

目前，超导产业的快速发展受到人工可控核聚变的推动。比如国际热核聚变实验堆，即将建设的中国聚变工程实验堆，以及近些年来国内多家核聚变商业公司，如星环聚能、能量奇点、新奥集团等，他们对超导线带材的需求量是千吨量级的。此外，未来中国若建成环形正负电子对撞机和超级高能强子对撞机，也必将推动超导产业迈向新高峰。

（超导可控核聚变示意图，来自 The Innovation 3(4), 100269 (2022).）

未来超导世界

看到这里，想必你已经对中国的超导基础研究和产业发展充满信心了。的确，随着中国的超导研究全面引领世界前沿，我们完全有理由相信，下一个重要的超导材料——无论是不是室温超导——都极有可能出现在中国；高温超导的微观机理，极有可能在中国取得突破性进展；在全球超导产业的市场份额中，中国也必将占据相当大的一部分。那么，这些进展将为我们的生活带来哪些变化呢？

最直接的应用可能就是在大城市核心区的电网中，使用超导电缆来替代传统电缆，从而大幅提升输电容量，降低损耗。除了电力传输，超导电力设备还可以广泛应用于超级计算集群、高密度储能系统和大功率用电设备中。

至于超导磁体，它不仅能用于可控核聚变、高能粒子加速器和基础科研设备中，也可以用于磁性选矿、金属熔炼、磁浮列车等日常生活和工业生产中。事实上，目前核磁共振成像系统中，3 T的基本上都是超导磁体，未来甚至可能会有14 T的核磁共振仪器，将分辨率提升至亚微米级别，能够一次性清晰成像大脑中的800多亿个神经元。不过，你不用担心核磁共振检测涨价的问题，因为中国正在研制1.5 T左右无液氦闭路循环制冷的核磁共振系统，届时或许可以实现插电即用，使这一设备可以普及到每一个县城、城镇甚至乡村卫生所。

我们甚至可以做出更大胆的设想：未来如果建造一艘能够飞出太阳系的太空飞船，会用到什么超导技术？

我想，飞船的发动机应该是一套可控核聚变系统，因为它所需要的燃料最少、续航能力最强；飞船的控制系统是一台超导量子计算机，能帮助我们精确计算飞行的航线和控制整个飞船的生态环境；飞船的导航系统是一套精密的超导接收器，可以收到遥远的脉冲星发出的电磁波，确定我们在茫茫宇宙中的位置⋯⋯

这看起来很科幻，但幻想总会有变成现实的那一天。

我坚信，未来的超导世界一定会加速到来！

我期待，与你一起，在中国去迎接这个充满科幻感的未来！

（未来超导世界，来自《超导“小时代”》封面）

【作者注】本文刊载于罗振宇编著《预测之书：来自未来的好消息》。2025年1月1日由新星出版社出版。此为稿件原文。