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

昨天，遠在美國拉斯維加斯美國物理學會年會會場的學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！

美國時間3月7日下午，以美國羅切斯特大學助理教授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現(xiàn)象。如果這個發(fā)現(xiàn)后續(xù)被證明是真實的，應該可以預定一個諾貝爾物理學獎！

人類真的要實現(xiàn)室溫超導了嗎？

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的前世今生。

超導（Superconductor）就是超級導體。正如超級賽亞人可以完爆賽亞人一樣，超導體具有普通導體無法達到的優(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，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象。當時他正在研究固態(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，科學家在其他幾種材料中也觀察到了超導現(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)出了超導性。

科學發(fā)現(xiàn)積累到一定程度，就需要科學理論去解釋。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，在解釋超導體的宏觀特性方面取得了巨大成功。

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

也就是說，超導現(xiàn)象是量子層面效應的宏觀體現(xiàn)。只有量子力學建立后，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)物理學家Lev Gor"kov證明BCS理論在接近臨界溫度（超導體從普通態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(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中也有著重要意義。

換句話說，超導并不僅僅在研究如何讓電阻變?yōu)榱悖且环N微觀量子力學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，中國標準就是世界唯一標準。

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上來。那么，特高壓輸電和超導又有什么聯(lián)系呢？

簡單來說——它們都能省電！

學過中學物理的朋友應該還記得，導體導電，但導體也耗電。由于導體內(nèi)電阻的存在，當電流通過時，電阻會發(fā)熱導致電能的損耗。

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。而超導則從另一條路，也就是減?。ā跋麥纭保╇娮璺矫嫫鸬搅水惽ぶА?/p>

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)！

但如果僅僅是認為常溫超導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)計變得極為復雜并且能量級別嚴重受限。

一旦常溫超導材料投入使用，就相當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：目前的超導好像都是在極低溫下才能實現(xiàn)的。

03

自超導現(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。

學界對超導體劃分了好幾個分類標準，其中一個就是按照臨界溫度的高低來的：低于77K的是低溫超導體，高于77K的是高溫超導體。

77K是多少溫度呢？-196.2℃（液氮的沸點）！好一個高溫??！

當然啦，我們不能按照常規(guī)的理念去審視這些學術(shù)名詞。因為在科學家看來，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，已經(jīng)足夠令人激情澎湃啦。

1986年，世界上首個高溫超導體（當時高/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期，因為以往的超導體多為金屬材料，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獎，而這也創(chuàng)造了一個記錄——在所有獲得諾貝爾獎的科學家中，二人是從取得科學發(fā)現(xiàn)到獲獎相隔時間最短的。

預言上帝粒子的彼得·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知進步的科學家的！）

貝德諾爾茨和米勒的發(fā)現(xiàn)燃起了學術(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)模應用潛力。比如說它已經(jīng)被用來建造下一代高溫超導核聚變托卡馬克裝置，一些實驗性質(zhì)的超導線纜也已經(jīng)國內(nèi)電網(wǎng)當中投入運營。

（這里順便說一下，這種高溫超導現(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實踐的隨機游走中，發(fā)現(xiàn)了另一種實現(xiàn)高溫超導的路徑——高壓。

高壓高溫超導體同樣被歸于高溫超導體。早在上世紀九十年代，科學家就嘗試通過加壓的方式來觀察超導材料的臨界溫度。

上文所說的汞鋇鈣銅酸鹽的臨界溫度（133K）是在日常情況下，也就是一個標準大氣壓下測得的。當對它們施加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，德國馬普化學所Drozdov團隊發(fā)現(xiàn)在170GPa的壓強下，稀土族富氫超導材料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——室溫超導！

04

鋪墊了那么多，也是時候來談談Ranga P. Dias這次所宣稱的室溫超導技術(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，超導臨界溫度高達294K（21℃），已經(jīng)算是真正意思上的室溫超導！

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）。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)生了金屬氫超導體。但由于無法被重復，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術(shù)水平到底如何。

上圖是谷歌學術(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。

在學術(shù)界，發(fā)文數(shù)和引用數(shù)是判斷一個學者研究水平的重要考量，雖然它不是個絕對準確的判斷標準，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，遠算不上是一個頂尖的學者。

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

05

一百多年來，人類對超導體、高溫超導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。但人們永遠也不會放棄這條探索之路，因為超導體的應用場景實在太多！

早在上世紀五六十年代，超導體就被用于構(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等公司制造超導量子計算機的量子比特提供了參考價值。

在生物醫(yī)學領(lǐng)域，以超導體為核心組件的超導量子干涉儀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險分層。

在科研領(lǐng)域，以超導材料制造的超導磁體被廣泛應用于粒子加速器、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，如果用超導體來制造風力發(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3.6兆瓦風機上安裝了一個超導體傳動系統(tǒng)。

系統(tǒng)用由超導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）超導體還有更多有前途的應用場景，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、超導磁制冷設(shè)備等。

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

從應用的角度來說，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現(xiàn)象的理論被提出，指導我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)性質(zhì)更好的超導材料，甚至最終發(fā)現(xiàn)室溫常壓的超導材料。

超導還有很長的路要走。

等Dias的結(jié)果被驗證能否被重復的那一天，我想不會很遠，我們會保持關(guān)注；等未來真正實現(xiàn)室溫超導的那一天，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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