中国战略新兴产业融媒体记者 赵涵

这项突破有朝一日可能会彻底改变所有使用电能的技术。

近日，来自纽约罗彻斯特大学的物理学家Ranga P. Dias团队宣称，他们发现了近常压的室温超导体，该超导体是由氢、氮、镥三种元素组成的三元相，该研究团队认为，其在大约10kbar（也就是1GPa，约相当于1万个大气压）下可以实现约294K（也就是约21℃）的室温超导电性。

>> Ranga P. Dias，纽约罗切斯特大学机械工程和物理学教授。

这项科学进展产生的意义十分重大：它将实现在日常条件下毫不费力地传输电力的梦想。我们现阶段使用的特高压输电技术，其实就是提高输电线的电压，尽可能地降低能量损耗；可如果使用超导电线，将完全不存在这个问题。因此，这样的突破可以改变几乎所有使用电能的技术，为手机、磁悬浮列车乃至未来的核聚变发电厂开辟新的可能性。

一个世纪前，物理学家发现了现在被称为“超导体”的材料。

超导现象于1911年由荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到无法测量的程度，他把汞的这一新状态称为“超导态”。与铁磁性和原子谱线一样，超导是一种只能用量子力学解释的现象。

1933年，德国物理学家Walther Meissner和Robert Ochsenfeld共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳（Meissner）效应”。迈斯纳效应的出现表明超导性不能简单地理解为经典物理学中完美导电性的理想化。

迈斯纳效应的发现引导了Fritz和Heinz London于 1935 年提出超导现象学理论。该理论解释了无阻力传输和迈斯纳效应，并首次对超导进行了理论预测。然而，该理论仅解释了实验观察结果——它无法确定超导特性的微观起源，1957年的BCS理论则成功地做到了这一点。BCS是一种能用于解释常规超导体的超导电性的微观理论，该理论以其发明者J.Bardeen、L.V.Cooper、J.R.Schrieffer的名字首字母命名。

超导性是在某些材料中观察到的一种物理特性，其中电阻消失并且磁通量场从材料中排出，任何具有这些特性的材料都可以称为“超导体”。与普通金属导体不同，通常情况下，电流在穿过电线时会遇到阻力，这就像一种摩擦力，部分能量会以热量的形式损失掉——而超导体可以使电阻近乎神奇地“消失”。作为材料的一种特殊状态，在超导态中，材料处于零电阻的状态中，电流流经超导体，既不会发热，也不会出现压降，其电阻随温度降低而逐渐降低，甚至降至接近绝对零（超导体具有特征临界温度，低于该温度电阻会突然降至零）。通过超导线环的电流可以在没有电源的情况下无限期地持续存在，也就是说，电流可以无衰减地在超导体中流动。

超导材料的种类很多，包括化学元素单质（例如汞或铅）、合金（例如铌钛合金、锗铌合金和氮化铌）、陶瓷（YBCO和二硼化镁）、超导磷族化合物（例如掺氟）或有机超导体（富勒烯和碳纳米管）等。超导体的一些物理性质因材料而异，包括临界温度、超导间隙值、临界磁场和超导性被破坏的临界电流密度。另一方面，有一类独立于底层材料的属性，超导是一个热力学相，因此具有某些在很大程度上独立于微观细节的显著特性。

但这些材料只会在一种“非自然”的超低温状态下才失去电阻。这就限制了它们的实际应用。

目前，超导的最大应用是产生磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）所需的大体积、稳定和高强度的磁场。磁感应强度与电流强度成正比，也就是说，电流每增加一分，磁场就会相应增强一分。但与此同时，产热会按平方增加，最终绝大多数能量都将转化为内能。因此，如果利用超导体线材制作线圈，就可以几乎无限制（磁场也可以抑制超导态，这里需要注意产生的磁场不能超过超导体的临界磁场）地提升线圈内的电流强度，进而获得强大的磁场——这就是核磁共振中强大磁性的来源。这些磁体通常要使用低温超导体(LTS)。

而高温超导体(HTS)的商业应用则受到了限制。大多数高温超导体是陶瓷材料，而不是以前已知的金属材料，脆弱易碎的陶瓷制造成本高，也难以制成线材或其他有用的形状。并且，目前已发现的超导体都需要昂贵且难以处理的冷却剂（如液氦）。所以，已知的商业HTS应用很少，主要包括感应加热器、变压器、故障电流限制器、电力存储、电动机和发电机、聚变反应堆和磁悬浮装置等。

利用两个不同超导体做成的约瑟夫森效应（Josephson effect）也有重要应用价值，约瑟夫森效应展示了不同物理量（例如电压和频率）之间的精确关系，有助于实现高精度测量。可以利用它制作超导量子干涉仪（SQUID），这是一种非常灵敏的磁力计，用于测量极其微妙的磁场。这个装置是目前最精确的磁场探测装置，在超导量子计算机中也有重要应用。

超导体还可以广泛应用于非常多的场景中，因此，常压下的室温超导体将为人类社会带来重大改变，具有重大的进步意义。

但几十年来，科学家们仍然一直在探索相关材料的研究。

本次温室超导的发现无疑是物理学界的突破性进展。

“这是可以实际应用的新型材料的开端，有了这种材料，近常压超导和应用技术的黎明已经到来。”Dias博士本周二在拉斯维加斯举行的美国物理学会会议现场对挤满了科学家的房间说。

那这一次的材料是如何制作出来的呢？就在本周三，《自然》杂志对他的团队的研究结果进行了更全面的描述。这个团队从小而薄的镥箔开始进行试验（镥是一种银白色金属，是稀土元素中最稀有的一种），将其压在两颗互锁的钻石之间，然后将一种含有99%的氢气和1%的氮气的气体泵入这个小腔室，并压缩至高压。实验样品在150华氏度下加热过夜，在24小时后释放压力。

令人惊喜的是，实验只经过了大约8小时，就得到了预期中的结果：一颗充满活力的小小的蓝色水晶出现了。

这种材料拥有令人惊讶的变色特性，随着螺丝拧紧以增加压力，蓝色会变为粉红色，最终变成红色。在论文中，研究人员表示粉红色晶体在高达70华氏度（21℃）的温度下表现出超导体的关键特性，如零电阻。

>> Dias博士和团队成员从镥开始，将稀有金属与氢和氮结合形成微小的亮蓝色晶体。为了产生超导性所需的高压力，他们随后挤压两颗钻石之间的化合物，使晶体变成粉红色。

那么，团队判断自己的材料达到了超导条件，只需要观察电阻特性就可以吗？

理论上来说，仍然得靠两个效应判断。一个是完全抗磁性，即前文所述迈斯纳效应，也就是能让超导体内部的磁感应强度为零、并排斥超导体内的磁场。另一个则是零电阻效应，指的是某种材料在常温时是导体、半导体甚至绝缘体，但当温度下降到某一特定值时，它的直流电阻突然下降为零。通常来说，迈斯纳效应测量起来比较困难，不少研究用的都是零电阻效应的判断方法，即在某种条件下观察到材料电阻变为0。但具体到实验测量上时，就又没这么简单了。

>> 在Ranga P. Dias的罗切斯特大学实验室，一颗钻石被放置在显微镜下的金刚石砧座中，用于超导实验。

>> 在 Dias 博士罗切斯特大学实验室进行的室温超导实验中，激光光谱可触发化学反应。

目前，很多人仍然对这个结果持观望态度。

接受《纽约时报》采访的华盛顿卡内基科学研究所科学家 Timothy Strobel和休斯敦大学物理学教授 Paul CW Chu均表示，此次没有参与Dias博士的研究，“但论文里的数据看起来还不错，如果这是真的，那将是一个非常重要的突破。”

然而，这个巨大的“如果”始终围绕着Dias博士。他一直受到质疑和批评的困扰，或许，一方面是因为重复试验结果还没出来，另一方面是因为Dias之前的“前科”——2020年，同一组研究人员曾发布室温下实现类似超导体突破的论文，后来却因数据问题被撤回了论文。

不可否认的是，Dias这项工作无疑是十分令人期待的，相关的实验数据和论据也很充足。但物理学的研究终究不是一家之言，任何科学研究都应该经得起验证，这次也不例外。

这项结果势必要经过行业内各个研究组的重复检验，让我们拭目以待。