審核專家：羅會仟

中國科學院物理研究所研究員、科普作家

3月8日，美國羅切斯特大學表示，該校研究人員研發(fā)出一種在室溫和相對較低壓力條件下表現(xiàn)出超導性的材料：一種三元金屬氫化物（镥-氫-氮），能在21℃、1GPa（1萬個大氣壓）下實現(xiàn)超導。這被認為是一項歷史性突破，但這一研究成果能否得到認可，還有待于后續(xù)其他研究組的重復驗證。

1911年，荷蘭物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K（熱力學溫標中0K對應著-273.15℃，4.2K為-268.8℃）以下時電阻突然消失，這種現(xiàn)象被稱為超導。

自從超導發(fā)現(xiàn)以來，人們對它的探索腳步從未停歇，對超導應用的研究熱情也越來越高漲。它到底是什么，又有什么作用呢？

材料都能導電嗎？什么是超導？

按照材料的電阻率隨溫度變化行為不同，可以分為絕緣體、半導體和導體。

絕緣體：電絕緣體通常情況下幾乎不能傳導電荷，電阻隨溫度下降而急劇上升。常見絕緣體有玻璃、橡皮、石蠟、塑料等。

半導體：導電性能介于金屬和絕緣體之間的物質(zhì)，在低溫下電阻隨溫度下降而上升。一般是固體，如鍺、硅及某些化合物等。

導體：能很好傳導電流的物體。導體中存在大量可以自由移動的帶電粒子，它們在外電場作用下就會發(fā)生定向漂移，形成電流。常見導體有金屬、石墨、電解液等。

超導材料則是在一定的低溫條件下，電阻完全為零及具有完全抗磁性（排斥磁力線）的材料。

1911年，在金屬汞中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象之后，科學家們開始研究其他金屬或合金在低溫下是否也具有超導性。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，除了一些磁性金屬如Mn、Co、Ni，堿金屬如Na、K、Rb，部分磁性很強的稀土元素，以及惰性氣體和重元素等之外，超導現(xiàn)象在大部分金屬中都存在。一些材料在常壓和低溫下即可超導，一些非金屬則需要在高壓和低溫下才有超導特性。

大部分金屬在室溫下的電阻率非常小但不為零，在10-8Ω ? m量級附近（Ω.m的含義為：單位橫截面積為1m2、單位長度1m材料的電阻值），金屬的電阻一般隨著溫度降低而減小。而超導體的電阻率至少在在10-18Ω ? m量級以下，整整低了10個數(shù)量級。由此可見，超導材料確實可以認為是存在絕對零電阻。

進入超導態(tài)的材料稱為超導體，有以下幾個特征：

1.超導體具有絕對零電阻。溫度下降到某臨界溫度時，超導材料的電阻為零，是無損耗的導電材料。

2.超導體具有完全抗磁性。此時磁力線會被完全排斥到超導體之外，超導體內(nèi)的磁感應強度亦為零。

3.超導材料只有滿足小于臨界溫度、臨界磁場、臨界電流強度等條件，才可以穩(wěn)定處于超導狀態(tài)，突破其中任何一個臨界參數(shù)，絕對零電阻或完全抗磁性就會消失。

超導材料的發(fā)展

從超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今，各種超導材料不斷被發(fā)現(xiàn)，包括單質(zhì)金屬、合金、過渡金屬氧化物/硫族化物/磷族化物等，甚至部分有機材料也具有超導特性。但這些材料實現(xiàn)超導的前提條件是需要較低的溫度或超高壓力。這意味著“超導”大部分情況下只能在實驗室里實現(xiàn)，很難在普通生活和生產(chǎn)中應用。因此，提升超導材料的Tc（臨界溫度）一直是科學家們的研究方向。

1986 年以前，Tc最高的化合物是鈮三鍺（Nb3Ge），Tc = 23.2K。這樣的低溫環(huán)境一般需要液氦來維持，費用昂貴。當時基于金屬合金的傳統(tǒng)超導理論甚至指出，超導的臨界溫度上限為40K。為了尋求突破，全球科學家們都開始在不同材料和環(huán)境中進行探索，希望提升超導材料的臨界溫度。

相對于常規(guī)的金屬和合金超導體（一般稱為傳統(tǒng)超導體），銅氧化物和鐵砷/鐵硒化物超導體具有較高的超導臨界溫度（它們部分體系的Tc可以突破40K），因此被稱為高溫超導體。在其他一些金屬氧化物中如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等材料中也同樣發(fā)現(xiàn)了超導電性，但這些超導體的Tc 均無法超越40K，因此它們并不被稱為高溫超導體。

在2015年以前，超導材料最高Tc記錄仍由銅氧化物所保持，約為常壓下134K，高壓下165K。2015年，德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布發(fā)現(xiàn)硫氫化物可以在高壓下實現(xiàn)202K的超導，點燃了人們尋找室溫超導體的希望。

2020年10月，美國羅徹斯特大學蘭加·迪亞斯團隊宣稱在碳-硫-氫三元化合物中實現(xiàn)了室溫超導，其壓力為267GPa，Tc為288K（即相當于15 ℃）。然而相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果受到業(yè)內(nèi)的廣泛質(zhì)疑，該論文最終于2022年9月被Nature期刊撤稿。

2023年3月8日—9日，同樣是美國羅切斯特大學的迪亞斯團隊宣布發(fā)現(xiàn)“近常壓室溫超導”材料，一種由镥-氮-氫（Lu-N-H）構(gòu)成的三元化合物，在1萬個大氣壓下（即10 kbar），超導Tc為294 K（相當于21°C）。該發(fā)現(xiàn)引起了科學界和全社會的轟動，但相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的科學家對此仍保留懷疑態(tài)度。室溫超導是否真的實現(xiàn)，尚待更多的科學實驗重復和驗證。

超導的應用

盡管真正實現(xiàn)“室溫超導”還需要科學家們繼續(xù)探索，然而超導材料的應用已經(jīng)非常廣泛，如醫(yī)療設(shè)備、電力能源、交通運輸、機械工程、高能物理、電子通信等領(lǐng)域。

超導體可以制成超導輸電線。常規(guī)輸電線的電阻會造成約10-15%的電流損耗。超導輸電線在一定條件下電阻為零，也無需變電所等設(shè)施，可將損耗降低到1%及以下。其制作的通信電纜和天線，性能也優(yōu)于常規(guī)材料。

超導材料還能制作各種用途的超導磁體。超導磁體的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)常規(guī)導體材料無法實現(xiàn)的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度。

現(xiàn)代核磁共振成像（MRI）就是利用超導磁體工作的，目前被廣泛地應用于醫(yī)療檢測，是最為精確的醫(yī)學檢測手段之一。

超導可控核聚變裝置，俗稱“人造小太陽”，就是利用強大的超導體約束氘-氚等在極高溫下的核聚變，是未來能源危機的解決方案之一。

由超導線圈制作的磁懸浮構(gòu)件，可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)磁懸浮構(gòu)件大得多的懸浮力。因為在導體截面相同時，超導體制作的導線可以比傳統(tǒng)導線承載高出幾十倍的電流，產(chǎn)生的磁力也更大。且超導線圈因為無電阻不會產(chǎn)生能量損耗，更加節(jié)能環(huán)保。

超導磁體還可應用于電機、高能粒子加速器、受控熱核反應、儲能等；利用其完全抗磁性還可制作無摩擦的陀螺儀和軸承。不僅如此，在弱電方面，超導體還可以用于量子計算、微波通訊、單光子探測、太赫茲探測等多個領(lǐng)域。

超導材料的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了寬廣的應用前景。它的優(yōu)良特性不僅能夠大幅改變社會生產(chǎn)模式，更能在這個能源緊缺的時代，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要目標。隨著科學家們的持續(xù)探索，未來它一定能夠為人類發(fā)展帶來深刻重大的影響。

本文綜合自：北京日報客戶端、機械工程材料微信公眾號、齊魯工業(yè)大學材料科學與工程學部微信公眾號、人民資訊、中新經(jīng)緯、光明網(wǎng)等

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