今日聚焦!室溫超導(dǎo)實現(xiàn)了？前科累累的印度裔專家，真的解決了世界難題？

昨天，遠(yuǎn)在美國拉斯維加斯美國物理學(xué)會年會會場的學(xué)界人士將一個勁爆的消息以迅雷不及掩耳盜鈴之勢傳給了國內(nèi)同行。

然后這個消息開始在物理學(xué)界小范圍里傳播，緊接在各大財經(jīng)，科技微信群瘋傳，接著就是上新聞、上熱搜。

儼然成了讓學(xué)術(shù)圈、科技圈、財經(jīng)圈乃至大量普通股民（韭菜）歡騰眾說的年度盛事。那么這個消息是什么呢？

(相關(guān)資料圖)

01

這幾天，以凝聚態(tài)物理為主要交流領(lǐng)域的美國物理學(xué)會3月會議（APS March Meeting，美國時間3.5—3.10）正在賭城拉斯維加斯舉行。

按理說這種一年一度的常規(guī)學(xué)術(shù)會議很難在公眾中引發(fā)關(guān)注，畢竟誰愿意死一堆腦細(xì)胞去聽懂你們摻了什么物質(zhì)、加了多少壓強、提高了多少溫度，最后弄出來個性能比去年提高了千分之零點二的新材料呢？

除非你說你實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)！

美國時間3月7日下午，以美國羅切斯特大學(xué)助理教授Ranga P. Dias為首的科研團隊在這次會議上宣布，他們在約1GPa（一萬個大氣壓）的壓強、21℃的溫度下觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。如果這個發(fā)現(xiàn)后續(xù)被證明是真實的，應(yīng)該可以預(yù)定一個諾貝爾物理學(xué)獎！

人類真的要實現(xiàn)室溫超導(dǎo)了嗎？

我知道你很急，但你先別急。

要理解這次的發(fā)現(xiàn)歷史意義到底如何，我們有必要捋一捋超導(dǎo)的前世今生。

超導(dǎo)（Superconductor）就是超級導(dǎo)體。正如超級賽亞人可以完爆賽亞人一樣，超導(dǎo)體具有普通導(dǎo)體無法達到的優(yōu)秀性質(zhì)，其中最突出的一條，就是零電阻性。

1911年4月8日，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。當(dāng)時他正在研究固態(tài)汞在低溫下的電阻，偶然發(fā)現(xiàn)在4.2K（約零下269℃）的溫度下，汞的電阻突然消失啦！

不過，當(dāng)時的昂內(nèi)斯并不知道發(fā)生了什么，完全沒有意識到問題的嚴(yán)重性，只是把這個發(fā)現(xiàn)隨手寫到了筆記本上。直到一個多世紀(jì)后，人們才在他的筆記本中知道了這個偉大發(fā)現(xiàn)的確切日期和具體情況。

科研就如同開采油田，只要有個洞里冒出來了點油沫，同行們便會扎堆過來分一杯羹。在隨后的幾十年中，科學(xué)家在其他幾種材料中也觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象。例如鉛在7K（1913年）、氮化鈮在16K（1941年）、鈮鈦(NbTi)合金在約10K（1962年）時等都表現(xiàn)出了超導(dǎo)性。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)積累到一定程度，就需要科學(xué)理論去解釋。否則它將是無本之木、無根之水，走不長久的。然而，直到昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的40年后，描述它的理論才得以成功建立。

1950年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道和金茨堡提出了金茲堡-朗道理論。該理論結(jié)合了朗道的二階相變理論和類似薛定諤波動方程的公式，在解釋超導(dǎo)體的宏觀特性方面取得了巨大成功。

1957年，三名美國物理學(xué)家，巴?。↗.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）提出了完整的超導(dǎo)微觀理論——BCS理論。它將超導(dǎo)電流解釋為超流體形式的庫珀對，超導(dǎo)是由低溫下冷凝成玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的庫珀對導(dǎo)致的一個宏觀效應(yīng)。

也就是說，超導(dǎo)現(xiàn)象是量子層面效應(yīng)的宏觀體現(xiàn)。只有量子力學(xué)建立后，才能找到對它進行解釋的理論模型，而這也正是耗費幾十年才得以發(fā)展出BCS理論的客觀原因。

1959年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Lev Gor"kov證明BCS理論在接近臨界溫度（超導(dǎo)體從普通態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(零電阻)時的溫度）時可以簡化為金茲堡-朗道理論，體現(xiàn)了兩理論間的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一性。

更有趣的一點是，作為描述物質(zhì)材料超導(dǎo)性的金茲堡-朗道理論，它的四維推廣形式——Coleman-Weinberg模型，在量子場論和宇宙學(xué)中也有著重要意義。

換句話說，超導(dǎo)并不僅僅在研究如何讓電阻變?yōu)榱?，更是一種微觀量子力學(xué)如何在宏觀世界得以體現(xiàn)的規(guī)律。

02

一百多年來，人類對超導(dǎo)體的狂熱追求從未減消。因為它能給世界帶來的改變實在太大。

舉個最貼近大家日常生活的例子。

中國在2021年的發(fā)電量達到了8.53萬億度，位居全球第一。如此高的用電需求也促進了中國在電力輸運領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，其中特高壓輸電便是中國在此過程中修練出來的曠世神功。

網(wǎng)絡(luò)上流傳著這樣一句話：在特高壓輸電領(lǐng)域，中國標(biāo)準(zhǔn)就是世界唯一標(biāo)準(zhǔn)。

這句話不是尬吹，就是事實。中國是世界上唯一掌握特高壓輸電技術(shù)并廣泛應(yīng)用的國家。集全球之力搞的可控核聚變項目ITER正在法國如火如荼地進行中，支撐該工程運行的高壓電網(wǎng)所需的全部設(shè)備都有一個國家提供，那就是中國。

中國特高壓輸電的發(fā)展往事值得好好講講，但它并不是今天的重點，重點仍要回歸到超導(dǎo)上來。那么，特高壓輸電和超導(dǎo)又有什么聯(lián)系呢？

簡單來說——它們都能省電！

學(xué)過中學(xué)物理的朋友應(yīng)該還記得，導(dǎo)體導(dǎo)電，但導(dǎo)體也耗電。由于導(dǎo)體內(nèi)電阻的存在，當(dāng)電流通過時，電阻會發(fā)熱導(dǎo)致電能的損耗。

P熱（發(fā)熱功率）=I^2（電流）R（電阻）

怎么降低電能損耗呢？很明顯，要么降低電流，要么降低導(dǎo)體電阻。在輸電過程中，輸電功率基本是固定的，這個功率和電流、電壓的關(guān)系是：

P輸（輸電功率）=U（電壓）I（電流）

可以看出，當(dāng)輸電電壓越大的時候，電流也就越小，這便是特高壓輸電在減小電能損耗方面的優(yōu)勢。而超導(dǎo)則從另一條路，也就是減?。ā跋麥纭保╇娮璺矫嫫鸬搅水惽ぶ?。

特高壓輸電再怎么提高電壓也不是無限的。只要電阻存在，輸電線路長了，電能在電線中的損耗便是一個不可忽視的資源浪費。據(jù)估算，中國每年在輸電線路上的電能損耗率在5%左右。

以2021年的發(fā)電量來算的話，相當(dāng)于有4.27千億度電都浪費在了路上！約為4個三峽大壩的年發(fā)電量！按每度電五毛錢來算的話，那常溫超導(dǎo)在國內(nèi)至少是一個年產(chǎn)值千億級別，全球年產(chǎn)值萬億級別的產(chǎn)業(yè)！

但如果僅僅是認(rèn)為常溫超導(dǎo)能為我們省下幾千億電費，那這個格局就太小了。

我們電網(wǎng)的能量分布并不是均勻的，在一些設(shè)施上往往會聚集巨大的能量，比如大城市周邊的高壓變電站，大數(shù)據(jù)中心，核磁共振MRI設(shè)備，質(zhì)子重離子治療儀，磁懸浮列車，粒子對撞機，可控核聚變托卡馬克裝置等等等等，這些設(shè)施就像是武俠小說里講的穴位一樣，支撐著社會的運轉(zhuǎn)。

但常規(guī)導(dǎo)體制造的線路所能支撐的電流是有一個上限的，并且很低，這就使得這些設(shè)施的電路設(shè)計變得極為復(fù)雜并且能量級別嚴(yán)重受限。

一旦常溫超導(dǎo)材料投入使用，就相當(dāng)于打通了整個社會的任督二脈，功力便會更上一層樓。

但這里有個很重要的問題：目前的超導(dǎo)好像都是在極低溫下才能實現(xiàn)的。

03

自超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，我們在為它的神奇特性著迷的同時，的確也為實現(xiàn)它所需的苛刻條件而頭疼。

學(xué)界對超導(dǎo)體劃分了好幾個分類標(biāo)準(zhǔn)，其中一個就是按照臨界溫度的高低來的：低于77K的是低溫超導(dǎo)體，高于77K的是高溫超導(dǎo)體。

77K是多少溫度呢？-196.2℃（液氮的沸點）！好一個高溫啊！

當(dāng)然啦，我們不能按照常規(guī)的理念去審視這些學(xué)術(shù)名詞。因為在科學(xué)家看來，能不用到昂貴的液氦（沸點是-268.9℃），只用液氮冷卻材料就能實現(xiàn)超導(dǎo)，已經(jīng)足夠令人激情澎湃啦。

1986年，世界上首個高溫超導(dǎo)體（當(dāng)時高/低溫的分界限是30K）由IBM的研究人員貝德諾爾茨和米勒發(fā)現(xiàn)。他們成功在35K（-238℃）的溫度下發(fā)現(xiàn)了鑭鋇銅氧化物(LaBaCuO) 的超導(dǎo)性。

在過去的75年里，臨界溫度從1911年的4.2K上升到了1973 年的23K（鈮三鍺Nb3Ge），之后便是長達13年的停滯。二人的發(fā)現(xiàn)完全超出了人們之前的猜測與預(yù)期，因為以往的超導(dǎo)體多為金屬材料，而這次突破臨界溫度極限的竟然是常溫下絕緣的陶瓷材料！

1987 年，貝德諾爾茨和米勒共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，而這也創(chuàng)造了一個記錄——在所有獲得諾貝爾獎的科學(xué)家中，二人是從取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)到獲獎相隔時間最短的。

預(yù)言上帝粒子的彼得·希格斯掩面痛哭，他所提出理論到被實驗證實，再到被授予獎項，花了近半個世紀(jì)的時間！

（調(diào)侃歸調(diào)侃，我們是十分敬重希老爺子以及所有推動人類認(rèn)知進步的科學(xué)家的?。?/p>

貝德諾爾茨和米勒的發(fā)現(xiàn)燃起了學(xué)術(shù)界的研究熱情，振奮激昂的研究者們開足馬力，很快就發(fā)現(xiàn)了臨界溫度Tc更高的超導(dǎo)陶瓷材料（金屬氧化物，多是銅酸鹽），如LaSrCuO (Tc≈38K)、YBaCuO (Tc=92K)、BiSrCaCuO (Tc=107 K)……

截止到2021年，具有最高臨界溫度的超導(dǎo)材料是汞、鋇和鈣的銅酸鹽。它的Tc≈133K（-140℃），進步可謂顯著。

銅酸鹽超導(dǎo)材料由于是工作在液氮的溫度區(qū)間，而液氮相對于之前實現(xiàn)超導(dǎo)所需的液氦，要便宜得多，比礦泉水還要便宜，于是它已經(jīng)呈現(xiàn)出很強的大規(guī)模應(yīng)用潛力。比如說它已經(jīng)被用來建造下一代高溫超導(dǎo)核聚變托卡馬克裝置，一些實驗性質(zhì)的超導(dǎo)線纜也已經(jīng)國內(nèi)電網(wǎng)當(dāng)中投入運營。

（這里順便說一下，這種高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的形成機理目前不清楚。它不能被傳統(tǒng)的BCS理論所解釋，提出靠譜理論解釋這一問題的人必然會得諾貝爾獎，而且是你現(xiàn)在提出年底就能得的那種，加油吧各位，看好你們哦?。?/p>

而人們就在這種沒有理論指導(dǎo)實踐的隨機游走中，發(fā)現(xiàn)了另一種實現(xiàn)高溫超導(dǎo)的路徑——高壓。

高壓高溫超導(dǎo)體同樣被歸于高溫超導(dǎo)體。早在上世紀(jì)九十年代，科學(xué)家就嘗試通過加壓的方式來觀察超導(dǎo)材料的臨界溫度。

上文所說的汞鋇鈣銅酸鹽的臨界溫度（133K）是在日常情況下，也就是一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測得的。當(dāng)對它們施加30GPa（約30萬個大氣壓）的壓強后，其臨界溫度竟然提升到了164K，也就是-109℃。

2019年，德國馬普化學(xué)所Drozdov團隊發(fā)現(xiàn)在170GPa的壓強下，稀土族富氫超導(dǎo)材料LaH10（鑭氫）的臨界溫度達到了250K（-23℃），已經(jīng)接近了更高意義上的高溫超導(dǎo)——室溫超導(dǎo)！

04

鋪墊了那么多，也是時候來談?wù)凴anga P. Dias這次所宣稱的室溫超導(dǎo)技術(shù)了。

在這場神秘兮兮（會議主持人說，由于某些特殊的、不可說的原因，不許現(xiàn)場提問題）的發(fā)布會上，Dias宣布：他們在高溫高壓下合成了氮镥氫化物（nitrogen-doped lutetium hydride），該材料在1GPa（一萬個大氣壓）時，超導(dǎo)臨界溫度高達294K（21℃），已經(jīng)算是真正意思上的室溫超導(dǎo)！

此外，他還聲稱所施加的壓強越小，臨界溫度越高（也就是越容易實現(xiàn)超導(dǎo)）。雖然結(jié)果很美妙，但也的確很反經(jīng)驗！

但話說回來，誰第一眼看到這種科學(xué)成果都得拍手稱贊。如果這項成果被二次證實了，不用懷疑，這哥們將會得到諾貝爾獎。

但是，歷史的經(jīng)驗告訴我們，“但是”永不缺席。

Dias的學(xué)術(shù)背景好像有點不干凈啊。

2017年，他和團隊成員在SCIENCE發(fā)文，宣稱在495GPa下產(chǎn)生了金屬氫超導(dǎo)體。但由于無法被重復(fù)，后來就不了了之了！你沒看錯，如此重要的發(fā)現(xiàn)，就如同被掃進垃圾堆一般沒人在乎啦，連Dias自己也不提了！

2020年，他又在Nature上發(fā)文，宣稱在270GPa的大氣壓強下，摻碳硫化氫（CSHx）材料的臨界溫度達到了287K，也就是14℃。

如果不是被同行質(zhì)疑并在之后被Nature堅持撤稿的話，倒真可以算作此次大新聞的悅耳前奏。

正是由于這個人的前科累累，我們才不得不審慎對待由他引發(fā)的關(guān)注和討論。在同行檢驗他的結(jié)果并給出最終的評判前，作為外行人的我們很難去對他這次成果的意義下結(jié)論。

那么我們可以相信Dias嗎？我想去從另一個角度去看看這個人的學(xué)術(shù)水平到底如何。

上圖是谷歌學(xué)術(shù)統(tǒng)計的Dias這些年的論文發(fā)表及被引用情況。引用數(shù)最高的前兩篇前面已經(jīng)被我們“盤過”了。除此之外，此人的研究成果好像并不突出。最高的引用數(shù)只有一百多次，大多數(shù)文章只有極低的兩位數(shù)甚至個位數(shù)引用。

在學(xué)術(shù)界，發(fā)文數(shù)和引用數(shù)是判斷一個學(xué)者研究水平的重要考量，雖然它不是個絕對準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，但在大多數(shù)情況下，是能體現(xiàn)一個人的能力高低的。

畢竟我不信Dias能像希格斯老爺子那樣，僅靠一篇論文就拿諾貝爾獎。

此外，Dias目前的h因子值為16（科研人員的h指數(shù)是指他至多有h篇論文分別被引用了至少h次。），在不考慮此人天賦異稟的情況下，遠(yuǎn)算不上是一個頂尖的學(xué)者。

有趣的是，h因子的發(fā)明者——美國物理學(xué)家Jorge Hirsch，正是質(zhì)疑Dias存在論文造假可能性的科學(xué)家之一。

05

一百多年來，人類對超導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體的研究就像是一場發(fā)現(xiàn)新大陸的探險，誰也不知道那座萬眾期待的美麗島嶼到底在哪里。但人們永遠(yuǎn)也不會放棄這條探索之路，因為超導(dǎo)體的應(yīng)用場景實在太多！

早在上世紀(jì)五六十年代，超導(dǎo)體就被用于構(gòu)建使用低溫管開關(guān)的實驗性數(shù)字計算機，雖然它后來沒有成為計算機的基本模塊，但卻為后來的IBM等公司制造超導(dǎo)量子計算機的量子比特提供了參考價值。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以超導(dǎo)體為核心組件的超導(dǎo)量子干涉儀SQUID 是人類制造的最靈敏的磁場探測器。它可以探測大腦的活動信號，并以此來推斷大腦內(nèi)部的神經(jīng)活動，還可以檢測心臟的磁場以進行診斷和風(fēng)險分層。

在科研領(lǐng)域，以超導(dǎo)材料制造的超導(dǎo)磁體被廣泛應(yīng)用于粒子加速器、對撞機、托卡馬克等大型科研裝置中，它們產(chǎn)生強大的磁場來將基本粒子或等離子體約束在裝置內(nèi)部。

在能源領(lǐng)域，除了我們之前說所的輸電效益外，如果用超導(dǎo)體來制造風(fēng)力發(fā)電機，也能顯著降低建設(shè)成本。

歐盟“地平線2020”計劃在2019年資助了一家名為EcoSwing的聯(lián)合企業(yè)，該公司在丹麥西部3.6兆瓦風(fēng)機上安裝了一個超導(dǎo)體傳動系統(tǒng)。

系統(tǒng)用由超導(dǎo)電線線圈制成的電磁體取代永磁體，與商用永磁直驅(qū)發(fā)電機相比，重量減輕了40%，對稀土金屬（制造永磁體的關(guān)鍵材料）的依賴更是下降了兩個數(shù)量級以上。如果批量生產(chǎn)，發(fā)電機的成本可降低40%！

除了上述領(lǐng)域，（高溫/室溫）超導(dǎo)體還有更多有前途的應(yīng)用場景，包括但不限于高性能的智能電網(wǎng)、電力存儲裝置、磁懸浮設(shè)備、超導(dǎo)磁制冷設(shè)備等。

正是因為室溫超導(dǎo)體的應(yīng)用價值如此之大，人們才會對這個領(lǐng)域任何一點風(fēng)吹草動保持關(guān)注，但不得不說，即便Dias這次搞出的大新聞被證實是真的，也遠(yuǎn)不能算得上是容易實現(xiàn)的室溫超導(dǎo)。

從應(yīng)用的角度來說，因為實現(xiàn)一萬個大氣壓要比實現(xiàn)零下一百多度液氮溫度要困難的多，也要貴得多得多，現(xiàn)在很多餐廳上冷盤都用到液氮了，所以Dias的這個發(fā)現(xiàn)推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潛力也有限。

從理論的角度來說，Dias并沒有提出新的理論，而真正的金礦將來自于能解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象的理論被提出，指導(dǎo)我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)性質(zhì)更好的超導(dǎo)材料，甚至最終發(fā)現(xiàn)室溫常壓的超導(dǎo)材料。

超導(dǎo)還有很長的路要走。

等Dias的結(jié)果被驗證能否被重復(fù)的那一天，我想不會很遠(yuǎn)，我們會保持關(guān)注；等未來真正實現(xiàn)室溫超導(dǎo)的那一天，我想終會實現(xiàn)，到時候如果我還活著，我會開一瓶茅臺。

參考文獻

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#Applications

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_superconductivity

[3]國家發(fā)展改革委關(guān)于核定部分跨省跨區(qū)專項工程輸電價格有關(guān)問題的通知,http://www.gov.cn/xinwen/2018-09/06/content_5319801.htm

[4]Ranga Dias, Google Scholar, https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=HDoF5YEAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate

[5]Extended Comment on Nature 586, 373 (2020) by E. Snider et al., https://arxiv.org/pdf/2201.07686.pdf

[6]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/Timeline_of_Superconductivity_from_1900_to_2015.svg

[7]2019年值得持續(xù)關(guān)注的突破性技術(shù),http://www.clas.ac.cn/xwzx2016/kxxw2016/xxjsdt2016/201905/t20190501_5287474.html

[8]EcoSwing - Energy Cost Optimization using Superconducting Wind Generators..., https://cordis.europa.eu/project/id/656024

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