​室温超导爆火又乌龙又爆火，它凭什么能撩动全球学界的神经？

室温超导爆火又乌龙又爆火，它凭什么能撩动全球学界的神经？

题图来自：视觉中国

LK-99 ——本来有望改变世界的紫水晶——在多项研究证实其并非超导体后，对它的狂热也告一段落。但它留下了一个问题：真正的室温超导体能带来巨大突破吗？

答案是要看情况——既取决于应用方式，也取决于这种假想材料是否还具备其他关键性质。但至少在一些科学领域，尤其是那些使用强磁场的领域，更好的超导体很有可能会产生巨大影响。

超导体是指能在特定温度下开始无电阻传输电流的材料，因此不会产生废热。但是，当前所有经证实的超导体只能在低温或极端压强或同时满足两种条件的情况下实现超导。一些科学家正在寻找能在室温和常压这种常规条件下转变成超导态的材料。

美国 Commonwealth Fusion Systems 公司建造的这个超导磁体是全球最强大的超导磁体之一，目前正用于研发核聚变技术。来源：Gretchen Ertl， CFS/MIT-PSFC， 2021

虽然当前超导体对低温的要求极大限制了它们的日常用途，但这种材料在实验室里已经无处不在，研究人员有各种手段给它们降温。这是可操作的，但通常会增加实验的成本和难度。

位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究组织（CERN）的加速器——大型强子对撞机（LHC）——就是一个极端例子。为了让质子在 27 千米长的环形隧道里持续运动，LHC 用温度只有 1.9 开尔文（– 271.25 ºC）的超导线圈产生强磁场。这需要用到一个含 96 吨液氦的低温系统——世界上最大的同类低温系统。CERN 的核工程师、磁研究员 Luca Bottura 说：" 如果极低温不是必需，整个工程就能简化。"

那么，一个室温或近室温工作的超导体就能快速变革多个科学领域，对吗？还没这么快。

量子问题

以量子计算机为例，这项仍在发展初期的技术有望以超越经典计算机的能力解锁特定任务。构建量子计算机的一个主要技术是将信息储存在超导材料环中。这些环在类似俄罗斯套娃的稀释制冷机中冷却至接近绝对零度（−273.15 ºC）。

在基于超导体的量子计算机中，即使温度上升不到 1 度，性能也会因为与超导性无关的原因而快速下降。量子计算对任何噪音都极度敏感，而热振动是它的大敌，会产生 " 准粒子 "（quasiparticle），超导量子计算的共同发明人、日本理化学研究所的物理学家中村泰信（Yasunobu Nakamura）说，" 在约 100-150 毫开尔文（millikelvin）时，我们已经开始看到热激发的准粒子的对抗性效应。"

其他用例中，实验本身可能并不需要极低温，但超导体可能依然要保持在比超导转变温度（称为 Tc）低很多的温度下。超导体的物理性质各不相同，在许多应用中——特别是高磁场磁体——另外两个特性十分关键：临界电流和临界磁场。超导性不仅会在温度升高时消失，如果一种材料要输送大于一定量的电流或是暴露在足够高的磁场下，超导性也会消失。

关键是，临界磁场和临界电流都与温度相关：温度越低，材料能承受的电流和磁场就越高。所以，超导体的 Tc 很高，并不意味着它能在低于 Tc 的任何温度下实现超导。在许多应用中，超导体的性能会随着系统的降温而提升。

好在，如果温度够低，目前已发现的最佳超导体也能承受很高的磁场，包括名为铜氧化物（或称铜酸盐）的一类超导体。

实地实验

4 年前，美国国家强磁场实验室（NHMFL）用一种铜酸盐打破了恒定（而非脉冲）磁场的强度纪录。NHMFL 的超导线圈产生了 45.5 特斯拉（tesla）的磁场，但它们必须浸没在液氦中，也就是温度保持在 4.2 开尔文以下。NHMFL 的首席科学家、物理学家 Laura Greene 说：" 我们使用高 Tc 的超导体不是因为它们的 Tc 高，而是因为它们的临界磁场高。"

美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的机械与电子工程师 Yuhu Zhai 说：" 如果你想要一个高磁场磁体，你就要在尽可能低的温度下工作，因为这样才能得到真正的超导性。"

CERN 正在尝试构建一种未来的粒子对撞机，有望以 7 倍于 LHC 的能量对撞质子，物理学家希望能在这个能量范围内发现新的基本粒子。为了达到更高的能量，必须用更高的磁场或用更长的环形加速器或两者结合来给粒子加速。为了打造这类加速器，物理学家希望能在 LHC 的环形隧道旁再挖一个最长 100 千米的环形隧道。但即使有了这么大的环，类似 LHC 的超导磁体——有铌钛线圈的 8 特斯拉的巨型磁体——也无法产生需要的磁场，也就是大约 16-18 特斯拉。Bottura 说：" 目前而言，我们肯定要用其他材料。"

当前高 Tc 超导体也许可以，但可能要维持在液氦温度才行。中国提出的一个类似加速器——环形正负电子对撞机——也要使用高 Tc 磁体。中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说：" 我们考虑高温超导材料有一段时间了，主要是铜氧化物和铁基超导材料。"

临界电流

不过，铜氧化物超导体也有其他缺陷：它们属于生产成本很高的脆性陶瓷材料，制成电缆的成本也很高。它们的临界电流也太低，王贻芳说，另一类铁基超导体原则上只需铜氧化物一半的成本，但表现更好。

Bottura 等人正在探索一类全新加速器的可行性。通过用 μ 子（类似电子但质量是其 207 倍）取代质子，可以和 100 千米的质子 - 质子对撞机研究同一类物理学问题，但这个环会小很多，甚至小到能直接放入 LHC 的现有隧道。让 μ 子进入环形隧道就不需要很强的磁场。但问题是，获得具备正确特性的 μ 子束可能需要 40 特斯拉的磁体。

在这个强度下，Bottura 说，" 问题不再是超导体，而是如何固定线圈。" 电磁线圈内的电流容易把磁体推开。在 40 特斯拉时，即使是韧性最好的钢也无法承受机械应力。这种磁体可能要用更强的材料才能固定住，如碳纤维。（强度要求不像 NHMFL 的磁体这么严格，后者需要在只有几厘米宽的空间里产生高磁场。）

因此，无论是质子还是 μ 子对撞机，一个远超现有性能的超导体能带来巨大突破，当然，其他工程学挑战也会随之而来。

迈向核聚变

结构强度已经对另一类装置构成了严重限制，这些装置的目标是利用核聚变能。一项经过长期验证的核聚变技术用排成甜甜圈形状的磁体约束等离子体——即托卡马克（tokamak）。这种等离子体被加热至数百万度的高温，从而让氢的各种同位素碰撞。全球最大的实验性托卡马克名为 ITER，目前正在南法建造，将使用液氦冷却的大型磁体产生近 12 特斯拉的磁场。

不过，工业实验室或公共资助的实验室都在设计基于高 Tc 超导体的托卡马克磁体，原因有很多，Zhai 说。更高的磁场有望极大提升聚变反应堆燃烧燃料的速度，因此也能提高产生的能量——至少在原理上如此，因为提取聚变能的许多关键步骤仍有待演示。工业实验室在提高 Tc 磁性材料产量上的一个积极进展是它们的成本已经降低了。（但依然比铌钛材料贵很多。）

Zhai 说，除此之外，托卡马克应该摆脱液氦冷却，这不单单是因为冷却系统的构建很复杂。氦是一种稀缺资源，建造数百个需要它的 ITER 大小的反应堆根本不现实。

Greene 说，寻找更好的超导材料有很高的风险，目前的成功都是可遇不可求。不过她说，" 虽然很难，但也令人向往，它能改变全世界。"

原文以 How would room-temperature superconductors change science? 标题发表在 2023 年 9 月 1 日《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Davide Castelvecchi