室温超导梦又近了一步

李忠东

新材料崭露头角

一个多世纪以来，室温超导一直是材料科学领域的研究热点。现在它或许终将成为现实，彻底改变我们的用电方式。美国罗彻斯特大学物理和机械工程助理教授兰加·迪亚斯和同事们，在极高的压力下压缩氢气成简单的固体分子，首次创造出在室温下具有超导性的材料。新成果表明，研究人员朝着创造出具有极优效率的电力系统迈进了一步。如果常压室温超导成为现实，那么或将引发能源革命。

在此之前，超导材料的最高温度是2019年在德国马克斯·普朗克化学研究所的米哈伊尔·埃雷米茨实验室，以及美国伊利诺伊大学的拉塞尔·赫姆利研究小组实现的。该研究团队报告了用镧超氢化物在170万个大气压的高压下实现-23°C的超导转变温度。近年来，研究人员还探索了铜氧化物和铁基化学物质作为高温超导体的潜在可能性。不过作为宇宙中最丰富的元素，氢也是一种很有前景的元素。

要获得高温超导体，需要更强的化学键和更轻的元素。氢是最轻的材料，而氢键是最强的化学键之一。从理论上来讲，固体金属氢具有很高的德拜温度和很强的电子-声子耦合，这是室温超导所必需的。德拜温度是固体的一个重要物理量，来源于固体的原子热振动理论，它不仅反映晶体点阵的动畸变程度，还是该物质原子间结合力的表征。物质的许多物理量都与它有关系，如弹性、硬度、熔点和比热等。然而，仅仅是将纯氢转化为金属状态就需要非常高的压力。2017年，美国哈佛大学教授艾萨克·西尔维拉和当时在其实验室做博士后研究的迪亚斯合作，在实验室中首次实现了这一目标。

在罗彻斯特大学的实验室里，迪亚斯团队使用一种替代性的富氢材料，它既模拟了纯氢的超导相，又可以在更低的压力下实现金属化。研究人员首先在实验室中结合了钇和氢，由此产生的超氢化钇表现出了超导电性。接下来，他们对共价富氢有机物衍生材料进行了探索，通过加入第三种元素——碳，将临界温度提得更高，因为碳能与邻近原子形成很强的化学键。最终，碳质硫氢化物可以将实现超导的温度提高到15°C。

本次实验在267万个大气压的高压下，实现15°C的超导转变。迪亚斯声称，这是人类第一次在室温下观察到超导现象。他们的发现将为许多潜在的应用提供可能。但他们虽然解决了温度的障碍，却又出现了高壓这个难题，此次的室温超导是在267万个大气压的高压下达成的，十分接近于300万个大气压的地球地心处的压力。这么高的压力，全世界也只有很少的实验室可以实现。

超导现象是指电能可在导体中零电阻通过，而这一现象只有在接近绝对零度（大约等于-273.15°C）的温度下才能观察到。科学家们一直对超导材料孜孜以求，但截至目前超导性仍需要极低的温度和极高的压力条件。目前，迪亚斯研究团队开发出室温下的超导材料，只解决了一半的难题。金属般的固体氢本身具有超导性，但因为需要非常高的压力而极难制造。在化学上，加入碳和硫起到对氢进行预压缩的作用，能降低制造难度。

超导体应用广泛

根据导电性能，可以将物质分为导体、半导体和绝缘体。在导体中，存在大量可以自由移动的带电粒子，它们可以在外电场的作用下自由移动，形成电流。在绝缘体中，电子则被束缚在原子周围，不能自由移动。半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，带电粒子能自由移动，但在运动的过程中也会受到原子的散射，产生电阻。

研究团队将氢、碳和硫结合在一起，以光化学合成的方法在一个金刚石压腔中合成了简单的有机衍生碳质硫氢化物。

一块磁铁悬浮在一个用液氮冷却的超导体上。

1911年，荷兰物理学家海克·卡曼林·昂尼斯发现，把汞冷却到-269°C时电阻会突然消失，电子会在其中无阻碍地运动。后来，他又注意到许多金属和合金都具有与汞相类似的特性。他将这种特殊的导电性能称之为“超导态”，这是人类首次发现超导现象。海克·卡曼林·昂尼斯因研究物质在低温下的性质，并制出液态氦而荣获1913年诺贝尔物理学奖。此后的一个多世纪中，新的超导材料相继被发现，一波接一波冲击更高的超导临界转变温度，每次发现都推动着科学家投身相关的研究热潮。

超导体材料具有完全电导性、完全抗磁性、通量量子化3个基本特性。完全导电性又称为“零电阻效应”，是指温度降低至某一温度以下时电阻突然消失的现象。完全抗磁性又称为“迈斯纳效应”，其中的“抗磁性”是指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为0的现象。“完全”则是指降低温度达到超导态、施加磁场2项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一种无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。通量量子化又叫“约瑟夫森效应”，是指当2层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体—绝缘体—超导体结构产生超导电流。

超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性。

超导体意义重大，而超导体在实现室温超导后，可应用于生产和生活的方方面面。目前，应用电子技术都基于有电阻的电路，大量能源因普通导体存在电阻而转变为热量白白损耗。实现室温超导有望使电能极少转变为热量，从而提升导体和装置的效率，极大地推动现有电子技术的发展，使超导电器的使用变得更加方便，让更多的精细电元件可以应用到我们的生活中。如基于超导微波技术的量子计算机，表明了超导体在计算机领域应用的可行性。

通常超导发电机有2种：一种是将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组，以提高电流密度和磁场强度，具有发电容量大、体积小、重量轻、电抗小、效率高的优势;另一种为超导磁流体发电机，具有效率高、发电容量大的优势。超导磁流体自身损耗小，能将发电损耗降至最低，导致放发电变得更加容易。用铜或铝导线输电，约有15%的电能会损耗在输电线路上。而由超导材料制作的超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。

超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性，将超导材料放置在一块永久磁体的上方。由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，致使超导体悬浮在磁体上方，利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。如果将磁悬浮特性应用到机械研发上，可使重要元件没有摩擦力，那么机械的制动效率和速度将大大增加，能够实现现有机械做不到的很多功能。磁悬浮技术可以让人类更加高效地利用空间，也许将来在空中生活不再是梦想。

超导型磁共振成像系统是主磁体为超导磁体的磁共振成像设备。它利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像，可以对很多重要疾病进行诊断。

核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体加以包围和约束，然后慢慢释放。核聚变原料的广泛应用，不仅有望彻底解决能源问题，而且让远距离的太空旅行也变为可能。由于在航天器中没有重力，致使宇航员在舱内的运动受到很大限制。而通过常温超导体的作用力可以模拟这种重力作用，以保证宇航员在航天器内也能如履平地。

下决心攻克难关

超导体分为常规超导体和高温超导体，其中常规超导体中电子-声子相互作用较弱。电子-声子相互作用是指电子与晶格振动之间的相互作用。高温超导体是超导物质中的一种族类，具有一般的结构特征以及相对上适度间隔的铜氧化物平面，主要包括铜氧化物超导体和铁基超导体。迪亚斯团队实验用的超导材料为含有碳、氢和硫3种元素的化合物，仍属于常规超导体。

超导态物质之所以具有完全的导电性，在于低温下那些自旋、动量都相反的电子可以两两结合成对（库珀对），从而在晶格中的运动无损耗。“库珀对”是美国物理学家利昂·库珀于1956年首次提出的，描述在低温下一对电子以某一方式束缚在一起的理论。在低温超导体中，电子并不是单个地进行运动，而是以弱耦合形式形成配对，一般称之为“库珀对”。形成库珀对的2个电子，其中一个自旋向上，另一个自旋向下。同性相斥的电子怎么能结合成对呢？这是由于电子间不是直接相互作用，而是通过晶格振动传递相互作用的。带负电的电子在运动时，会对附近带正电的晶格粒子产生吸引作用。而这些被吸引的很多带正电的晶格粒子会异性相吸，将其他带负电的电子拉过去。

要使电子更容易形成库珀对，当然是靠电子吸引来的晶格粒子，而这种电子非氢莫属。氢排在元素周期表的第一位，是最轻的粒子。固体氢的熔点为-259°C，在高压下会由绝缘态变为金属态。由于氢原子很轻，因此金属氢形成库珀对的温度（即超导转变温度）也应该很高，更可能接近室温。但与此同时，它所需的高压也非常高，现有的设备难以满足。而一些含氢的化合物，则可以在目前技术水平达到的高压下，在室温下形成超导体。

在发现所制造材料的电阻在15°C条件下变成0时，迪亚斯研究团队进行的另外几项测试以证实它真的具有超导性。当前的问题是，知道这种超导材料由碳、硫和氢构成，但不知道这些元素是如何结合在一起的。就这类研究而言，在不了解结构的情况下进行试验并不鲜见。现在还需要进行更多的理论研究，用各種化合物模型来匹配这种材料，从而弄清楚它到底是什么。研究人员还表示，这种化合物含有3种元素，不像其他超导体往往只含有一两种。对这种元素组合做进一步的“成分调整”，可能是在较低压力和更高温度下实现超导性的关键。

对此，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的布赖恩·梅普尔评价道：“这项研究启发了人们思考常规超导体和高温超导体的关系、超导电子配对的机制、未来寻找新材料的方向、应用超导技术的新领域等，描绘了人类更加美好的未来。”但也有研究者认为，迪亚斯的实验条件十分极端，这意味着距离实际应用还非常遥远。目前，迪亚斯等人创建了一家名为“非凡材料”的公司，希望能找到一种在日常压力环境下可以大规模生产的室温超导材料。

用铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上。而用超导材料制作的超导电线和超导变压器，可以使电力几乎无损耗地输送给用户。