超導百年：物理學“聖杯”是如何誕生的？

圖片來源@視覺中國

文｜腦極體

最近科技圈流傳的大新聞，大家都知道了吧？

簡單來說，美國物理學會的三月會議上，來自羅徹斯特大學的Ranga Dias宣布，他們團隊在近環境壓強下實現了室溫超導。

這個消息在中文互聯網流傳之後，很快就有了詳細的解讀，業內人士的普遍看法是：先觀望一會兒。

原因有兩個：

一是這個研究本身還不確定，有學者對實驗數據提出了質疑，認為樣品過於均勻，實驗結果目前還沒有被其他課題組復現。

二是這個團隊帶頭人有“前科”，Ranga Dias在2020年發表於《自然》上的論文被撤稿了，多個研究組試圖重複該實驗，結果都不理想。Ranga Dias不披露原始數據，後來又說自己論文中合成的金屬氫“消失”了，引發大家的一致抗議，認為“ Something is seriously wrong”。

所以，室溫超導雖然是“諾獎級”的工作，但說Ranga Dias已經摘下了“聖杯”，還為時過早。

這件事並不複雜，三言兩語就能說完。但有趣的是，明明諾獎八字還沒一撇，還是大多數人都不了解的凝聚態物理領域，卻引得中國科技圈一片焦慮，大眾媒體也积極報道。

怎麼就引起了轟動呢？

除了超導領域本身的重要性之外，還是因為這條新聞，激發了當下國際科技競賽的普遍焦慮。

畢竟前不久，人工智能領域的“皇冠”，剛被OpenAI用ChatGPT摘下，通用人工智能眼看着有希望了，現在物理學的“聖杯”，又搶先被美國科研人員拿走了？

在廣泛流傳的一張網圖裡，連認證的中科院研究員，都感受到“降維打擊”了，讓很多人擔心，咱們在基礎重大突破上，不會又被拉下一大截吧？

同班同學剛考了個語文的年級第一，你正摩拳擦掌、懸樑刺股，預備下次考試好好發揮呢，人家又捧回來一個國際物理競賽金獎，直接保送了。可不就激發了咱們擔心落後的“焦慮情緒”。

只能說明，對於基礎科技創新，大家真的太焦慮了，一有風吹草動就如臨大敵，忽略了咱們中國在超導領域，也是非常優秀的。

目前，美、日、中是全球超導領域的領先者。2008年，《科學》雜誌就以“新超體把中國物理學家推向世界最前沿”為題，認為 “中國如洪流般不斷湧現的研究結果，標志著在凝聚態物理領域，中國已經成為一個強國”。

所以大家先放下焦慮，放下擔憂，我們來聊聊超導究竟是什麼？為什麼能成為“諾獎級”工作？對大眾生活和科技產業能帶來哪些影響？

踏破鐵鞋無覓處，超導竟在我身邊

凝聚態物理？超導性？這些專用名詞，是絕大多數普通人日常很少會涉獵到的。所以咱們先不去掰扯複雜的理論和技術概念，先來說一個有趣的事情：超導就在你身邊。

超導，就是“超級導電”的意思，具有這種超級導電性的材料，就是超導體。之所以能超級導電，源於電阻為零的特性。

九年義務教育常識：電流穿過电子設備/電線環路時，會遭遇電阻，導致一些能量以熱量的形式而損失掉。你的手機在高負荷運轉或充電時會發熱，變成暖手寶，就是這個道理。

而超導是零電阻，所以電流可以在超導體中沒有阻力、熱損耗、衰減地流動。

荷蘭的理論物理學家保羅·埃倫費斯特說過，超導環路里是“永不消逝的電流”。所以，有電的地方，就有超導的用武之地。

今天，超導在多個領域的應用已經非常成熟甚至是商業化了。我們從兩個場景來看：

一是強電應用。即在大電流或強磁場下的超導應用。 

基礎科研：基礎科學研究往往需要強磁場的環境，大型粒子加速器、高能粒子探測器、人工可控核聚變裝置都需要高強度的超導磁體。

能源行業：現階段最高效的特高壓交流輸電技術，需要經過變電站，以市電電壓傳輸到各家各戶，長距離傳輸會帶來電能的損失，造成能源浪費，加重環境的負擔。而零電阻的超導電路，就完全不需要變電站，可以在較低電壓下進行高功率傳輸，零損耗地傳輸電能，這對能源行業是革命性的變化。

醫療行業：如今醫院採用的核磁共振成像儀（MRI），成像清晰度和辨識度很高，靠的就是超導磁體，14特斯拉以上的超強超導磁體核磁共振成像技術，能夠把人腦中的860億根神經元全部清晰地測量出來，為很多疾病提供精準的醫療診斷影像。

交通領域：磁懸浮列車大家可能都聽過或坐過，時速和高鐵差不多，上海浦東機場的高速磁懸浮列車跑完全程30千米只需8分鐘。如果換成超導磁懸浮，速度還能翻倍。2020年，西南交通大學已經建成了首台高速超導磁懸浮樣車，未來乘坐時速600千米/時以上的超導磁懸浮高速列車，大家的出行效率會更高。

當然，還有一些與普通人生活比較遠的強電應用。比如量子計算，超導量子比特技術幫助打造量子計算機，取得量子霸權；軍事用途，超導體可以用於開發高強度電磁脈衝（EMP），用來癱瘓範圍內的所有电子設備；太空探索，超導磁體，超導可控核聚變發動機，為太空旅行、宇宙飛船提供源源不斷的動力。

二是弱電應用。即電流小、電壓低的超導應用。

普通人日常接觸最多的還是弱電應用，比如移動通信、家電、智能設備之類的，這些領域的“超導化”其實也非常常見。

利用超導的零電阻優勢製作微波器件，可以減少數據傳輸的損耗，從而提高信號的識別度。3G/4G基站用上高性能超導濾波器，可以讓覆蓋的手機信號不串號、不混流量。

大家平時用的筆記本電腦、手機、平板，容易因為散熱不佳而燙手、運算速度變慢、燒壞主板器件，集成電路芯片越來越小，傳統電路的功耗問題就越明顯。如果能用超導體來製作电子元器件，就不用擔心CPU發燒了。

我們都知道，第三次工業革命的核心是電氣化，物理學家J.C. Séamus Davis認為，特斯拉和愛迪生髮明了電力，徹底改變了社會，而超導將再次徹底改變它。

如今，超導並不只存在學術會議、神秘實驗室、各國智庫報告里，其實已經來到了我們身邊。

諾獎收割機，超導百年都在研究什麼？

這麼一說，你可能會說，既然3G時代超導就開始商用了，怎麼還能持續收割“諾獎”，引無數物理學科學家競折腰呢？

從發現超導現象，至今不過百年的時間，就已經在凝聚態物理領域誕生了60多個諾獎（諾貝爾物理獎），超導這個更小的分支，就有10個直接得獎，可見這個領域非常重要，而且難度大、收穫也大。

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那麼，超導的百年歷史中，都研究了哪些重要問題？我們就以五次超導研究的諾獎為脈絡，串聯起超導的發展歷史。

1. 發現超導。

1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂尼斯在題為《汞的電阻突然迅速消失》的論文中，將零電阻的現象，命名為“超導”，這項開創性的研究，兩年後就獲得諾貝爾物理學獎，所在的荷蘭萊頓大學的物理實驗室，也一度成為世界低溫物理研究中心。

2. 超導熱力學效應。

1950年，俄羅斯科學家A.A.Abrikosov、Vitaly Lazarevich Ginzburg和英國科學家Anthony Leggett提出了超導熱力學效應，認為超導就是一種量子體系中的熱力學相變。

冰熱了化成水，水熱了揮發成蒸汽，這個固體-液體-氣體的過程就叫相變。超導體的電阻值，在臨界溫度下突然下降，而超導熱力學效應的理論，可以用來描述超導相變的許多臨界現象。

這項工作的50年多年後，三位科學家獲得了2003年的諾貝爾獎，說明搞科研不僅要腦子好使，還得有個好身體。

3.超導微觀理論。

1957年，伊利諾伊大學的三位物理學家巴丁、庫珀和施里弗，利用电子配對的思想解釋了超導的微觀機制，即某些材料如何在低溫下以零電阻導電，电子之間要相互吸引，需要晶格作為媒介，形成电子對（Cooper對），解釋了汞和鉛一類超導體中的超導現象。

憑藉這一超導微觀理論,即BCS理論，三位科學家在1972年獲得了諾貝爾物理學獎。

（晶格使电子產生吸引作用）

4.超導隧道效應。

1962年，劍橋大學的研究生約瑟夫森發現了超導的量子效應，兩個超導體中間放上絕緣體，會形成“超導隧道電流”，超導电子可以量子隧穿到另一個超導體中去，加上外界電壓之後，會產生量子振蕩運動，這一發現對研製高性能半導體和超導體元器件，有很高的應用價值，獲得1973年的諾貝爾物理學獎。

5.高溫超導材料。

1986年，IBM的柏諾茲和繆勒在一種氧化銅材料中發現了高溫超導性，可以在35 K（-396 F）的溫度下變成超導體。銅氧化物高溫超導的發現，將臨界溫度大幅提高，使材料在低價的液氮降溫環境下達到零電阻，極大地拓展了超導應用場景。

這種新型材料，給超導研究注入了全新的活力，二人也在次年（1987年）就榮獲諾貝爾物理學獎，比發現超導的“開山鼻祖”昂尼斯的獲獎速度還快。

從這些里程碑的諾獎成就中，可以看到，超導是一個百年來碩果累累的基礎研究領域，從理論奠基到落地應用的腳步，步履不停，而這個領域還會持續湧現更多的諾獎得主。

那麼，超導還有哪些研究方向是諾獎的種子选手，中國的研究實力究竟怎麼樣呢？

下一個超導“諾獎”的種子选手

目前，超導領域還有很多未完成的“諾獎級”工作，等待着各國科學家們“搏一搏”。

首當其沖的，就是最近廣為關注的常壓室溫超導體。

超導要實現規模產業化，必須開發出更利於應用的超導材料。而一直以來，超導領域都有一個臨界溫度的天花板——“麥克米蘭極限”，即超導臨界溫度不能超過40 K(零下233.15℃)。

這個臨界溫度還是太低了，超導體必須通過昂貴的降溫技術，比如液氮/液氫，才能保持超導性。為了讓超導體規模化應用，就必須探索室溫環境下（300 K，即27℃）就能夠保持超導性質的材料。

可以說，常壓室溫超導體，是絕對的諾獎潛力股。

此前曾有很多論文聲稱找到了“室溫超導體”，但基本都無法被同行重複實驗，有的實驗數據不可靠，最終不了了之。所以為什麼說不用焦慮Ranga Dias稱近環境壓強下的室溫超導，因為類似的“狼來了”已經發生過多次，等研究真的被自證和他證了，再着急不遲。

（麥克米蘭極限）

實驗技術的桎梏難以打破，基礎理論突破或許能帶來變革。高溫超導微觀理論，也是一個頗有前途的諾獎选手。

回顧歷史會發現，目前唯一獲得諾獎的超導理論就是BCS理論，而能夠徹底描述高溫超導材料特性的理論，目前還沒有一個是公認成功的。底層微觀機理的未知與不清晰，也使得相關應用研究只能在既有的規則條件下艱難探索。

如果能夠將高溫超導機理的微觀問題研究明白，能夠給室溫超導帶來意外的改變，加速超導產業化應用的進程，具有里程碑式的意義。

理論突破是金字塔尖的塔尖，尋找室溫超導之路，絕大多數研究人員的機會還是在新的超導材料上。

從1911年超導被發現至今，已經有成千上萬種超導材料被發現，元素周期表中大約一半的元素都显示具有低溫超導性。不過，具有實際應用價值的材料，還是那些便宜、容易獲得的金屬與合金材料。

前面提到，銅氧化物超導材料的發現，第二年就斬獲了諾獎。那麼下一個諾獎級材料會是誰呢？答案是鐵基超導體。

1987年之後銅氧化物超導材料的發現，開啟了超導材料探索的蓬勃之路。如果說此前中國在超導領域的研究基礎弱、追趕慢，與國際一流水平有代差。那麼從上世紀八十年代開始，圍繞高溫超導材料，中國科學家迅速躋身到了世界前列。

《超導“小時代”：超導的前世、今生和未來》中提到，1987年3月初，美國物理學會3月會議設立了“高臨界溫度超導體討論會”，當時，來自中國、美國、日本的科學家，作為大會特邀報告人，分別報道了各自在高溫超導材料探索的結果，世界各地的3000多名物理學家，擠滿了1100人容量的報告廳，狂熱的會議討論一直持續了7小時，直到凌晨2點才結束。

目前，構建出新型結構的鐵基超導材料，被認為是高溫超導甚至室溫超導的希望所在，是下一個諾獎的潛力股，也是中國在超導領域的強項，擁有大量優秀的研究人才和豐富的研究經驗，已經發現了多個鐵基超導體系。

2014年，德國馬克斯普朗克化學研究所的科學家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氫中發現190 K超導零電阻現象，發表在《自然》期刊上，正是受到了中國科學家的理論計算啟示。 

百年超導，今天依然是如此迷人，擁有無限的可能性，才會讓鴻儒白丁們都如此感興趣。

《天空之城》中的“漂浮島嶼”，航行宇宙的太空飛船，永不枯竭的能源和動力，穿越時空的旅行……關於未來世界的想象中，超導是不可或缺的一筆，中國亦然。

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