室溫超導

室溫超導，即在室溫條件下實現的超導現象。超導現象最初是在接近絕對零度的低溫條件下觀察到的，大多數超導體都必須工作在40 K（約-233.15℃）以下的溫度環境，目前常壓下最高的超導臨界溫度記錄是134 K（約-139℃），仍然遠遠低於室溫（即300K，約27℃）。人類如在通常的物理條件下實現可規模實用化的室溫超導材料，有望在所有電和磁的領域讓超導材料得到大規模套用，極大提高裝置的性能和效率，全面而又深刻地改變人類社會。

2022年11月27日，室溫超導入選為2022年度“十大基礎研究關鍵字”。2023年12月23日，室溫超導入選“2023年十大科技熱詞”

基本介紹

• 中文名：室溫超導
• 外文名：room-temperature superconductor  
• 所屬學科：物理

定義

超導現象是指電流可以在材料中以零電阻通過，但嚴格來說，是指在某一溫度以下電阻為零，該溫度被定義為超導體的“臨界溫度”。判斷一個材料是否屬於超導體，不僅僅要看它是否具有零電阻的特性，還必須同時具有完全抗磁性，即抗磁磁化率達到最大值，為-1。超導體的零電阻特性讓傳輸電流幾乎沒有能量耗損，超導材料能承載比常規導體更強的電流，在小範圍空間裡產生更高的磁場；而一般常規導體材料，在導電過程中都會消耗大量能量，產生強磁場會有很強的發熱效應。

通常情況下，只有在特定溫度之下，材料才會進入超導狀態。這個臨界溫度非常低，往往從幾到幾十開爾文（大約零下二百多攝氏度），這在日常生活中非常難達到，而需要依賴液氦、液氮等製冷介質，極大地限制了超導材料的大規模套用。 室溫超導指的是臨界溫度大於等於室溫（300K，27℃）的超導體。歷史上曾多次有人聲稱合成了室溫超導體，但均被質疑，未獲科學界廣泛承認。目前尚不存在真正意義上的室溫超導體，雖然理論上並沒有對超導體的臨界溫度有明確的上限，但理論上也並沒有支持室溫超導體存在的證據。

原理

早在1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已經發現，當溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時，金屬汞的電阻會消失，他將該現象命名為超導。

但直到1957年，才有了第一個能從微觀上成功描述超導現象的理論——BCS理論。該理論由美國科學家約翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·庫珀（Leon Cooper）和約翰·施里弗（John Schrieffer）基於量子力學建立。金屬中的自由電子在有電壓時，會在帶正電的原子晶格點陣中整體產生定向漂移形成電流。通常情況下，帶正電的原子晶格會存在熱振動以及雜質和缺陷，由於原子與電子之間的電和磁性相互作用會干擾電子的集體漂移，從而對電流產生阻礙，即有電阻效應。這三位科學家認為，在超導體中，自旋相反、動量相反的一對電子會被因為間接與原子晶格交換能量，從而形成“庫珀對”（Cooper pair），大量庫珀對因為量子相干效應產生集體凝聚的波，這種波的空間尺度要遠大於原子晶格點陣，可以無阻礙地穿越晶格，實現零電阻狀態。

“庫珀對”就仿佛是電子組合在一起舞蹈，但隨著溫度的升高，熱運動會逐漸破壞庫珀對。而如何讓庫珀對在溫度很高的情況下也能穩定存在呢，尼爾·阿什克羅夫特（Neil Aschcroft）在1968年給出了答案，最輕的元素——氫原子或許能提供更強有力的電子配對“膠水”。氫原子體積和質量都很小，能使得電子在晶格點陣中距離得更近，電子與原子熱振動的耦合也更強，庫珀對結合更為緊密，這樣能使凝聚的巨觀量子波傳播更快更遠，實現室溫超導電性。

但是只單純用氫，需要500-1000萬個大氣壓才有可能實現室溫超導，如果添加另一種元素，讓氫嵌入其中，也許會使條件變得不這么苛刻。2014年12月， 德國馬克斯普朗克化學研究所的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫氫化物中發現 190 K 超導零電阻現象，壓力為150 GPa，之後在2015年8月，他們已經獲得了220 GPa下203 K的超導電性，該材料後來被證實為H₃S。這也促成了之後大家對氫化合物的大量嘗試，包括ThH₁₀、CaH₆、CeH₉、YH₆、Lu₄H₂₃等已經被相繼發現能在“高溫”條件（＞40K）下實現超導電性，部分材料超導溫度能達到200 K以上，不過大都在100-200萬個大氣壓條件下才能實現。

高壓下氫化物超導體的發現時間、臨界溫度及對應的壓力

2019年，人類距離室溫超導更近一步。德國的M. I. Eremets研究組和美國的馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）研究組各自宣布，十氫化鑭（LaH₁₀）在170-190萬個大氣壓下，可以在逼近室溫的250-260K以上出現超導性，這是歷史上被業界承認的超導臨界溫度最高紀錄。

高壓下的二元富氫化物是目前距離室溫超導目標最近的材料的體系。理論上，科學家們還預言了更加複雜的高壓三元氫化物具有超導電性。例如吉林大學段德芳、崔田等人預言LaBeH₈在20萬個大氣壓下T_c≈185 K，吉林大學劉寒雨、馬琰銘等人預言Li₂MgH₁₆在250萬個大氣壓下T_c≈473 K，JAIST的A. Ghaffar等人預言Y₃EuH₂₄在200萬個大氣壓下T_c≈220 K。但是這些材料結構都遠比二元氫化物複雜的多，目前實驗上如何合成並測量尚屬未知。

除了高壓下氫化物之外，人們更期待能夠找到常壓下的室溫超導材料。儘管常壓室溫超導材料未必具有可滿足大規模套用的性能，但發現常壓室溫超導對於基礎科學研究有著重大的意義。室溫超導的探索，有可能啟發新材料探索的思路，從中發現大量的新物理現象。不過，目前為止，並沒有公認的室溫超導體出現。

質疑

歷史上，曾有多人宣稱過自己成功合成了室溫超導體，但都未能得到證實。一部分宣稱者拒絕公開材料合成方法，其他一些被公開的“室溫超導”合成方法無法被其他研究組獨立重複，部分研究論文在經受廣泛質疑之後被撤稿。下表列出了一些宣稱合成室溫超導體的事件：

套用

超導材料在能源、健康、醫療、通訊、運輸、信息等領域都有非常重要的套用。簡單來說，它分為強電套用和弱電套用兩大塊。

強電套用就是利用超導體零電阻的特點，可以實現很強的電流、很高的磁場。超導材料幾乎可以用在所有電力設備裡面，比如超導輸電、超導儲能、超導選礦、超導接頭和限流器、超導電動機和發電機等。強大的超導磁體，可以在小尺寸下實現30T以上的穩態強磁場，是基礎科研的利器。比如在高能粒子加速器、磁約束可控核聚變、高速動能載入和電磁彈射等方面，超導磁體是必不可少的關鍵部件。基於超導塊材磁懸浮和超導磁體的電動懸浮，可以實現高速磁懸浮列車，運行速度可達600公里/小時以上。

弱電套用指的是超導材料作為電磁波探測或電子學器件。比如：利用超導的良好阻抗性能，可以實現超導的濾波、混頻、通訊系統，實現高度的保密性；超導金屬可以作為帶電粒子加速的微波高頻腔，是各種粒子加速器的“心臟”；利用超導納米線的磁通效應對光的靈敏回響，可實現最為精密的單光子探測。此外，超導作為一種量子效應，它可以實現各種量子極限的器件。最常見的一種叫做超導量子干涉儀，具有世界上最靈敏的磁性探測能力，僅受到量子力學基本原理的限制，可以作為電壓的基準。基於它還可以構造出超導量子比特，進而做出複雜的超導量子晶片，實現超導量子計算，對解決特定的數學和物理問題有絕對的優勢。在未來，我們甚至還可以利用拓撲超導體的拓撲電子態，實現不依賴於低溫的拓撲量子計算，讓量子計算的成本大幅度降低，穩定性大大提升。

目前，超導相關的套用還只能在較低溫度下實現，超導體需要使用大量液氮甚至昂貴的液氦來冷卻，成本高昂且有一定的安全隱患。常壓條件下的室溫超導一直是凝聚態物理學有待摘取的“聖杯”，一旦成功合成並實現較好的性能，會對物理學、材料學及工程學的相關領域都有巨大的推動。 室溫超導可能會對人們的生活帶來巨大的改變，比如家裡的家具可以沒有腿的磁懸浮狀態，出門可以看到天上有懸浮的城市，地上的汽車沒有輪子，城市之間有高速的磁懸浮列車，甚至還有續航優越的超導太空飛船實現太空移民的夢想。只是，室溫超導何時能夠實現並沒有預期，需要一代又一代的科學家堅持不懈地去探索。

具有立體交通和綠色居住環境的“未來超導城市”構想

當然，實現室溫超導也並不意味著馬上就會掀起一場工業革命，因為室溫超導材料未必好用。對於強電套用而言，超導體的載流性能依賴於三個臨界參數：臨界溫度、臨界磁場、臨界電流密度。適合於強電強磁套用的超導材料，不僅僅是臨界溫度，實際上三者都要高。同時批量化的製備和使用，還要求材料的機械性能要好、化學穩定性要好、原料和製備成本要低等。對於弱電套用而言，並不需要大規模生產超導材料本身，但在物理性質方面有更多的參數指標要求，比如電子平均自由程要長，庫珀對相干長度要大，關聯效應要強，超導能隙大小要合適，量子束縛態要易於操縱等等，一個超導薄膜是否合適做高靈敏度的電子元器件，對其平整度、表面阻抗等有更高的要求。如果實現室溫超導，意味著電子集體們要維持高溫配對就要付出更多的代價，其他的參數可能就會特別低，比如臨界電流密度可能極小，稍微通電即變成不超導，抑或臨界磁場特別低，在有磁場情況下磁通線容易進入超導體內部，造成非常複雜的磁通運動，以至於無法實現強電套用。也有可能室溫超導體中庫珀對的相干長度很短，或者壽命極短，無法長時間維持超導的狀態，那么也很難有什麼弱電套用。