luda 人类梦寐以求的室温超导体终于来了！用昂贵钻石打造首个室温超导体的研究有什么意义？走进生活，常温常压的超导材料还有多远？
撰文/记者 王雪莹 编辑/吉菁菁
新媒体编辑/吕冰心
采访专家：
李涛（中国人民大学物理系教授）
几十颗钻石能用来做什么？用来装点富丽堂皇的殿堂，还是用去制作精美灿烂的珠宝？近日，一群来自美国罗切斯特大学的科学家用事实告诉人们，这些造价不菲的美丽石头不止能"锦上添花"，还能"无中生有"地帮人类在室温下制造出超导体！
▲在此次的研究中，罗切斯特大学使用了特殊的金刚砧，其主要构成则是两颗"尖对尖"的钻石。（图源：罗切斯特大学）
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昂贵钻石，打造首个室温超导体
据了解，罗切斯特大学研究团队发现的这种超导材料其实是一种碳硫氢化物。这种氢化物在巨大压力的作用之下，能在15°C左右的室温进入超导状态。在很多人看来，此次的发现让人类距离发现"常温常压的超导材料"又近了一步，然而事实上，罗切斯特团队的成果更多地是一次站在巨人肩膀上的远眺。
早在2015年8月，德国马克思·普朗克化学研究所（以下简称马普所）物理学家Mikhail Eremets及其团队就曾发现，氢硫化合物能在-70°左右的温度下出现超导现象。四年后，这一团队又取得了新突破，发现十氢化镧这种物质在高压条件下，进入超导状态只需要-23°C。
在这些前人的基础上，罗切斯特大学的研究人员尝试将碳、硫、氢三种元素混合，并利用金刚石砧——此处便是前文所提"最烧钱"的实验环节：这个金刚石砧主要由两颗尖对尖"亲密接触"的钻石组成，通过配合密封垫一起使用，这两颗钻石就能产生几百万个大气压。
温度降低时，这种材料通过的电流电阻会明显降低，当压力增加到175万个大气压时，材料在-93°C时就会发生超导转变。如果将压力慢慢增加，那么这种材料进入超导状态的温度也会随之提升。
按这一思路，罗切斯特大学研究团队几经尝试最终发现，在267万个大气压，这种材料只需在15°C的室温条件下，其电流电阻就能归零。换而言之，人类梦寐以求的室温超导体终于来了。
▲因为具有完全抗磁性特性而悬浮于空中的超导体。（图注：Quanta）
据了解，此次项目的主要负责人、罗切斯特大学物理学家Ranga Dias曾半开玩笑半认真地说，研究过程中团队所面临的最大问题是金刚石的预算——每对钻石至少要3000美元，而他们仅仅是在实验中就用废了至少几十颗，研究成本实在不菲。但转念一想，就连权威国际期刊《自然》都特意为其腾出了一期封面以示庆贺，用废这几十颗钻石的"代价"几乎可以忽略不计了。
▲《自然》杂志的室温超导体封面。（图源：Nature）
对此，哥伦比亚大学物理学家Chris Pickard认为此次发现"具有里程碑意义"，就连Mikhail Eremets在接受《自然》采访时也对这一结果给与了肯定，在他看来，罗切斯特大学此次研究是"能提供令人信服数据的成果"。
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应用广泛，超导材料使用场景众多
也许有人会问，不过是发现了一种新材料，真的需要这么兴奋吗？想要回答这个问题，首先要从超导材料本身说起。
众所周知，根据导电性能不同，物质大致可以分为导体、半导体和绝缘体。所谓导体，就是譬如铁、铝等金属这种物质，它的电流电阻很小，其中存在着大量可自由移动的带电粒子，这些电子能在外电场的作用下"自由行走"，形成明显的电流——正也就是为什么人们常说"导体易导电"；相反的，绝缘体电阻极大，带电粒子因为被"困"在了原子周围不能"自由移动"因而不易导电，常见的绝缘体譬如橡胶、塑料；至于半导体，则是性能介于前二者之间的物质，例如硅、锗、砷化镓等。
按照焦耳定律，就算一个导体的导电性能非常好，它都无法避免因为有电阻而产生焦耳热，进而造成能量的额外消耗。那么如果一种物质能电阻归零，同时还能允许电子在其中无拘无束地自由移动，岂不是两全其美？这时候就轮到超导体登场了——理论上，超导材料不仅能做到"0电阻导电"的理想导电性能，还会具备"完全抗磁性"等特点，并由此引发出诸如"磁通量量子化"等物理学机制假设。
（图源：罗切斯特大学）
利用超导体的特性，人们可以用来"举起"沉重巨大的车厢——诸如日本JR线的MLX系列低温超导磁悬浮磁浮列车测试线，也可以用来长期监测重力变化，观测潮汐、探测地震等——诸如天文地理研究中常用的磁悬浮重力仪；至于超导体的"约瑟夫森效应"则是说，如果在两个超导体之间夹一个绝缘层，当这个绝缘层的厚度薄到逼近原子那么薄时，电子就能直接穿过绝缘层，产生隧道电流现象。利用这一特性，人们不仅能做出速度更快、运行耗能更小的超导计算机，还能制作出灵敏度更高、噪声更小的超导量子干涉仪。
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室温却高压，新发现逃不掉"旧尴尬"
"对于（罗切斯特大学的）发现，我们业界其实并没有觉得太惊讶"，一位不愿意透露姓名的超导材料业内人士在接受本报采访时透露。作为专业从事超导材料研究超12年的内行，他指出："因为早在10多年前，咱们中国的物理学家就预言过，富含氢的材料理论上是可以做到室温超导的，只是当时我们受到实验设备等硬件所限，没办法亲自验证。"
▲科学家利用液氦降温使金属进入超导状态。（图源：Quanta）
对此，中国人民大学物理系教授李涛也表达了类似的观点："根据以往既有的理论，近年来已经有实验把超导临界温度做到非常逼近室温，甚至比室温高很多的也有，只是没有被广泛关注和正式发表而已"，他说："从这个意义上来说，这次的实验报道确实不是很让人意外，（罗切斯特大学团队的结果）只是正好超过了室温而已。"在李涛看来，虽然这些相关研究对于验证既有理论机制、对于推动超导高压研究有一定意义，但是对于新的超导机理研究和超导应用"基本没有价值"。
与此同时，美国加利福尼亚大学物理学家Brian Maple也对"室温超导"的实用性表达了质疑。"实验条件实在是太特殊了"， 他说："显然，（根据这一理论）根本不可能制造出能实际应用的设备"——室温超导的前提是需要267GPa高压，但这一压力几乎是地球地心处压力的3/4，别说是难以普及，放之于全世界，也只有少数实验室才能达到。
▲267Gpa的高压相当于标准大气压的200多万倍，在地球上4500公里的深度才可能达到这样的压力环境，而地球的平均半径仅6371公里。（图源：视觉中国）
那么，室温超导材料的发现又有什么意义呢？有业内专家认为，相比于实用意义，此次成果再次成功印证了以往科学家对超导机理的推导，为人类摸索超导理论的漫漫长路，又铺垫了一块坚实的基石。
事实上，人类探索超导体的历史本身就是摸着石头过河，在黑暗中不断摸索的过程：1911年，荷兰物理学家H.K. Onnes发现，汞在-268.98°C时电阻会消失，进入超导状态。随后，他在许多其他金属和合金上都发现了类似特性。尽管其条件极为苛刻——需要以接近常压氦的液化温度，但却开启了人类研究超导材料的历史。
六十多年后，人们在1973年又发现了铌锗合金。这种材料进入超导状态所需的温度虽然比汞要高一点，但还远谈不上"平易近人"。在随后的几十年里，镧钡铜氧化物、铊钡钙铜氧化物等新型超导材料先后出现，经过数十年的不断探索，2015年马普发表研究报告称，他们发现的氢硫化合物终于将传统超导体的临界温度提高到了203K。然而不得不说的是，虽然每一次科学家的发现都让超导临界温度有所升高，但人们始终无法让超导材料的转变温度实现质的飞越，这也导致时至今日，"常温常压的超导材料"依然还是人们的一个美好梦想。
▲核磁共振谱仪生产线。（图源：西门子）
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走进生活，常温常压的超导材料还有多远？
事实上，尽管时不时有新的发现，但从总体上看，近十年来全球超导材料研究始终处于一个尴尬的瓶颈期，究其原因，"市场化"也许是最难跨越的一个阻碍——如何将实验室中的新发现，实际应用到讲求成本、看重效率、生产条件有限的商用市场？这个问题似乎很难回答
"虽然实验室陆陆续续找到了一些临界温度更高的新材料，但是受限于价格和性能等因素，这些新材料始终打不开商业市场，没办法投入实际应用"，一位不愿意透露姓名的业内知情人说。
现如今，超导技术对于多数普通人而言还是非常神秘，甚至常常引发人们的"误解"：一提到超导技术，大家总会想到磁悬浮列车，但实际上，现实生活中多数磁悬浮列车使用的是常规导体，像德国的和国内上海的磁悬浮，这些列车跟超导技术并没有太大关系。相比之下，反而是医院里使用的核磁共振成像（MRI），尤其是1.5T以上的核磁共振，才是跟普通人距离最近的超导技术。
相比于CT成像等技术，MRI不仅没有辐射，而且能为医生提供内容更加丰富、影响更加清晰的对比影像，尤其对于诸如脑补、脊髓等不同软组织或是中枢神经系统等部位的对比成像也更加好。如今，9.4T超高场MRI不仅在理论上能帮助人类检查糖尿病以及心脏病，甚至还有望能够帮助早期检测阿兹海默症，为人类解决"难以治疗只能预防"的顽疾提供更好的技术支持。
探寻适用于民用市场的超导材料并不容易，尽管路漫漫其修远兮，但人类寻找超导材料的脚步却从未停下。从能承载大量电能却几乎不产生额外能耗的超导发电机、超导直流输电线，再到信号覆盖更广、抗干扰力更强的信号通讯基站……一步步的探索中，超导技术正在等待下一个春天。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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