室温超导时代来临了吗？

龚明，中国科学技术大学

超导现象最早在1911年由荷兰科学家昂内斯（Onnes）发现。它有很多重要的性质，其中零电阻和抗磁性被认为是最重要、最本质的特性。在实验上，超导的测量还有很多，除了前面两个，还可以测量磁化率、比热等，它们都会在相变点附近表现出突变行为。综合这些测量可以判断一个材料是否是超导体。

过去很多年，超导的这些特性给人类带来了无限遐想。大家都知道电阻会发热并导致能量耗散。比如，我们的电脑和手机用久了就会发热，电线在输电过程中有大量（可能6 - 10%）的能量损耗。所以人们设想，如果用超导做导线，就不存在这个能量损耗了。更重要的是，没有电阻，电流可以非常大。抗磁性也有很多重要的应用，最著名的是超导悬浮列车，它通过周期性改变磁极方向推动列车前进，时速可能超过600 km/h，这几乎达到了目前飞机的速度。遗憾的是，绝大部分性质很好的超导材料的临界温度都非常低，很多都是零下260度一下（比如10 K），但这些应用都要求我们实现室温/高温超导体。

到目前来讲，超导已经有了很多重要应用，用的主要是低温超导体。利用超导干涉仪（SQUID）可以测量$10^{-11}$高斯的磁场，这个强度是地球磁场的一百亿分之一。这个仪器是基于Josephson效应而实现的，他后来也因此获得了Nobel物理学奖。这个基础为基础，也诞生了超导电子学。这么高的灵敏度，让它在地球物理、医学以及基础科学研究等领域发挥了关键作用。比如，在医学中的心磁图和脑磁图，都用到了这个技术。但是因为需要很低的温度来实现超导，这些产品一般尺寸都很大，而且价格昂贵。国内有一些公司生产这些低温超导材料，但因为没有得到广泛应用，产能一般不大，所以也不广为人知。

(不同材料的超导临界温度，图片来自网络）

室温超导被认为是物理学的“圣杯”。寻找室温超导是过去四十年最重要的理论和实验课题，也发生了很多次超导热，比如铜基超导、铁基超导、拓扑超导以及转角石墨烯超导等。但是要达到或者接近室温超导，目前最好的选择是高压氢化合物。比如，CaH6在150 GPa（1GPa = 一万个标注大气压）可以达到220 K- 235 K（约为零下50度左右），H3S在155 GPa下有临界温度203 K；一些具有4f电子的稀土-氢化合物在高压下也有很高的临界温度。甚至有理论预言，稀土-氢化合物可以实现室温超导，但一般都需要在高压下才能实现。在此，吉林大学马琰铭教授的理论计算，以及北京高压科学研究中心毛和光院士的实验，应该走在国际前列。但是他们更多关注的是材料在高压下的行为，以及它们在地核中的应用。地核压强可以达到300 - 400 GPa，温度可能有4000 - 7000摄氏度，此时物质的状态和我们地球表面的物质状态会完全不同。

(来自Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride，Nature,  2023， Ranga P. Dias组）

前几天（2023年3月8日）在拉斯维加斯举办的 APS 会议上，罗彻斯特⼤学Ragan P. Dias 团队宣称实现了室温超导，这可能是沿着这个方向迈出了实质性的一步。这篇文章宣称在一万个大气压（10 kBar）下实现了294 K（21摄氏度）的超导转变温度。这个压强看起来很大，可是和目前可以实现的300 - 500 GPa的压强相比，要小得多，适用得多。从报道来看，他们采用的是LuHN化合物（具体组分可能是机密，暂时没有透露）。他们从电阻、比热、磁化率等很多方面证明这个材料是超导体。这个实验的难度比目前绝大部分高压实验要小得多。尽管这个材料制备比较复杂，他们发现样品有1/3可以测量到超导现象。这应该是比较高的成功率了。因为压强不是特别大，信号的读取不难，作者又是超导专家，长期从事高压超导研究，这个实验出错的可能性要比他们之前的被撤稿的文章（约270 GPa高压超导实验）要小得多 --- 当然不排除学术造假和样品丢失的可能。这个实验也为未来的研究预留了大量的空间，比如超导机制、理论模型，以及通过掺杂等手段提高临界温度和降低压强等。

如果这个实验室是真的，这可能是近几十年物理研究最重要的进展，它可能会改变物理学的研究现状。所以，很多研究团队正在加班加点制备样品重复这个实验。如果可以重复，科学家马上可以通过元素掺杂、调节化合物比例、制备更纯的样品等很多方式来进一步提高临界温度、降低压强等。理论团队也在做各种计算和建模，试图探寻背后的原理。很多科学研究都要发生调整。这将是一场没有硝烟的竞争。此时，我们的想象力会很重要，因为盯着这个蛋糕的，除了科学家，还有企业和资本。所有人的人都非常清楚，如果解决了室温超导问题，马上需要解决的问题可能包括各种超导产品的研发和应用，比如室超导量子计算机、超导悬浮列车、超导传输电线等等。可以预计，我们将在医疗、电力、交通、量子计算、精密测量、飞行器等很多方面发生革命性变化。而这些应用，需要大量的材料生长、制备和加工技术，甚至背后的强大的稀土工业等。这是一个巨大的产业链。与之相伴的，可能还有国家的政策的调整，国家一定会出台相应的政策以保证自己在这场竞争中不落伍。在中美矛盾和竞争的大背景下，这个突破可能会是一个敏感的政治话题，比如稀土资源会成为关键资源。

那么，如果实验是真的，会发生什么事情？ 我相信马上有各种各样的超导公司出现，同时会诞生大量的超导产品，包括超导手机、超导电池、超导电势、超导电脑、超导芯片，甚至超导鞋垫、超导衣服等。真真假假、假假真真。那么，资本和企业家需要立刻进入这个领域吗？我认为要谨慎。即便这个材料可以实现室温超导，它要具体应用起来，也会面临很多问题，比如安全性问题、毒性问题、环境问题、价格优势问题等等。我们可以举几个例子来看到这一点。石墨烯自从2005年提出来，就被人认为可以在电子学和芯片领域有重要应用，并很快得了2010年的Nobel物理学奖。可是17年过去了，我们还是看不到当年的一些美妙的设想变为现实。同样的，钙钛矿太阳能从2006年提出到现在已经16年了，很多具体的材料困难依旧导致它没有大规模量产。至于在生物学和医学领域，宣称有望解决某些重要疾病的“重要发现”，后来几乎没有一个变成了现实。所以从这个材料被证明是室温超导，到理解其机制，到制备更多室温超导材料，到最终实现具体的产品和应用，可能还有很长的路要走，大家要有耐心，急不得。

(H的化合物超导温度和压强的关系，在这个图中，室温超导需要压强为200 - 250 GPa)

所以，在未来几个月内，估计有大量的实验和理论文章，或质疑这个结果，或支持这个结果。一旦确定它为真，估计马上面临的是一堆新的科学问题和技术问题，它们也一定会成为资本竞逐的目标，以及国家之间竞争的焦点。从过去很多年的经验来看，中国的科学研究在这场科技竞逐中不会落伍。比如，在石墨烯、铁基超导、拓扑等领域，中国科学家很快后来居上，在其中发挥了关键或者主导作用。比如铁基超导体还获得了国家自然科学一等奖。如果是假的，则是一场闹剧而已，这篇文章将很快被撤稿，作者可能也会声名狼藉。就目前的情况看，怀疑这个实验的人要远远多于相信它的人，比如有人怀疑他为了自己公司服务，骗取投资，也有人怀疑他的数据处理方式，也有人完全从直觉觉得这个实验以及数据完美得看起来不像是真的。最近物理所靳常青研究员课题组实验证明LuH合金在218 GPa的临界温度为70 K，远远低于室温。这个结果似乎和上图Yansun Yao（加拿大萨斯喀彻温大学）组的理论计算（Phys. Rev. Lett.，2022）差不多, 即必须在高压下才能实现较高的超导温度。在这个图中，LuH6在100 GPa下可实现超导临界温度275 K左右。但是否可以通过掺杂提高临界温度，降低压强，尚不清楚；因为有很多理论计算表明通过适量掺杂可能大幅度提高超导临界温度。至于最终如何，让我们大家一起拭目以待，相信很快就有定论。

注：本文应腾讯科学编辑乔辉邀请写的，他发表了其中的一部分。我比较关注这件事情背后的可能性。就这个话题，我也接收了一个公司的咨询，表达的观点类似，特地分享出来。我相信室温超导总有一天会实现，这只是一个时间问题。资本和企业需要关注这些进展，但可能不一定需要立刻进入这个领域，不要着急。

物理学量补充介绍：

1. 室温温度（27摄氏度）为300 K，K表示开尔文单位；冰水混合物温度为零摄氏度，即273 K；

2. 很多超导材料的临界温度都很低，比如8 K，即为零下260多摄氏度；

3. 压强单位为帕斯卡，一个标准大气压为$10^5$帕斯卡，约为1 bar；1 kbar = 1000个标准大气压。有些时候压强用GPa（吉帕）表示，一个GPa对应一万个大气压；

4. 一个标准大气压对应76毫米汞柱，或10米水柱。在海里，每下降10米，压强增加一个大气压。地球最深的海底约为1000个大气压，所以一万个大气压相当于10个马里亚纳海沟的深度。这个压强为喜马拉雅山底的石头感受到的压强的一半。但是这个压强，可以很容易用金刚石压砧技术实现；

5. 地球内部温度为4000℃ - 6800℃，压强为360万个大气压，是这个实验实现的压强的360倍。目前实验室可以实现的压强为300 - 500万大气压。金刚石压砧技术是研究地球内部物理的最重要的实验手段；

6. 地球表面磁场为0.2高斯左右（1高斯为$10^{-4}$特斯拉）；如果磁场比地球表面磁场小一百亿倍，则图像处理、数据处理等就就显得非常重要了；

7. 液氦的温度在4.2 K，而液氮的温度在76 K（零下196摄氏度）；液氮的价格，比液氦要便宜得多；

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