“室温超导”是什么？和你关系大了

审核专家：罗会仟

中国科学院物理研究所研究员、科普作家

3月8日，美国罗切斯特大学表示，该校研究人员研发出一种在室温和相对较低压力条件下表现出超导性的材料：一种三元金属氢化物（镥-氢-氮），能在21℃、1GPa（1万个大气压）下实现超导。这被认为是一项历史性突破，但这一研究成果能否得到认可，还有待于后续其他研究组的重复验证。

迪亚斯报告现场 来源 | 网络

1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现水银在4.2K（热力学温标中0K对应着-273.15℃，4.2K为-268.8℃）以下时电阻突然消失，这种现象被称为超导。

金属汞（Hg）在4.2K以下的零电阻态 来源 | 罗会仟, 周兴江. 神奇的超导[J]. 现代物理知识, 2012，24(02), 30:39.

自从超导发现以来，人们对它的探索脚步从未停歇，对超导应用的研究热情也越来越高涨。它到底是什么，又有什么作用呢？

2018年8月19日，第12届国际超导材料与机理大会在北京开幕，来自世界各地的千余名超导研究专家学者与会。 来源 | 中国科学院物理研究所

材料都能导电吗？什么是超导？

按照材料的电阻率随温度变化行为不同，可以分为绝缘体、半导体和导体。

绝缘体：电绝缘体通常情况下几乎不能传导电荷，电阻随温度下降而急剧上升。常见绝缘体有玻璃、橡皮、石蜡、塑料等。

半导体：导电性能介于金属和绝缘体之间的物质，在低温下电阻随温度下降而上升。一般是固体，如锗、硅及某些化合物等。

导体：能很好传导电流的物体。导体中存在大量可以自由移动的带电粒子，它们在外电场作用下就会发生定向漂移，形成电流。常见导体有金属、石墨、电解液等。

超导材料则是在一定的低温条件下，电阻完全为零及具有完全抗磁性（排斥磁力线）的材料。

1911年，在金属汞中发现超导现象之后，科学家们开始研究其他金属或合金在低温下是否也具有超导性。经过研究发现，除了一些磁性金属如Mn、Co、Ni，碱金属如Na、K、Rb，部分磁性很强的稀土元素，以及惰性气体和重元素等之外，超导现象在大部分金属中都存在。一些材料在常压和低温下即可超导，一些非金属则需要在高压和低温下才有超导特性。

元素周期表中的单质超导材料 来源 | 罗会仟, 周兴江. 神奇的超导[J]. 现代物理知识, 2012，24(02), 30:39.

大部分金属在室温下的电阻率非常小但不为零，在10-8Ω ∙ m量级附近（Ω.m的含义为：单位横截面积为1m2、单位长度1m材料的电阻值），金属的电阻一般随着温度降低而减小。而超导体的电阻率至少在在10-18Ω ∙ m量级以下，整整低了10个数量级。由此可见，超导材料确实可以认为是存在绝对零电阻。

进入超导态的材料称为超导体，有以下几个特征：

1.超导体具有绝对零电阻。温度下降到某临界温度时，超导材料的电阻为零，是无损耗的导电材料。

2.超导体具有完全抗磁性。此时磁力线会被完全排斥到超导体之外，超导体内的磁感应强度亦为零。

3.超导材料只有满足小于临界温度、临界磁场、临界电流强度等条件，才可以稳定处于超导状态，突破其中任何一个临界参数，绝对零电阻或完全抗磁性就会消失。

超导材料的发展

从超导现象发现至今，各种超导材料不断被发现，包括单质金属、合金、过渡金属氧化物/硫族化物/磷族化物等，甚至部分有机材料也具有超导特性。但这些材料实现超导的前提条件是需要较低的温度或超高压力。这意味着“超导”大部分情况下只能在实验室里实现，很难在普通生活和生产中应用。因此，提升超导材料的Tc（临界温度）一直是科学家们的研究方向。

1986 年以前，Tc最高的化合物是铌三锗（Nb3Ge），Tc = 23.2K。这样的低温环境一般需要液氦来维持，费用昂贵。当时基于金属合金的传统超导理论甚至指出，超导的临界温度上限为40K。为了寻求突破，全球科学家们都开始在不同材料和环境中进行探索，希望提升超导材料的临界温度。

相对于常规的金属和合金超导体（一般称为传统超导体），铜氧化物和铁砷/铁硒化物超导体具有较高的超导临界温度（它们部分体系的Tc可以突破40K），因此被称为高温超导体。在其他一些金属氧化物中如钛氧化物、铌氧化物、铋氧化物、钌氧化物、钴氧化物等材料中也同样发现了超导电性，但这些超导体的Tc 均无法超越40K，因此它们并不被称为高温超导体。

各种超导体的临近温度及其发现的年代，及几个典型超导体的晶体结构 来源 | 罗会仟,《超导“小时代”》，清华大学出版社，2022年版.

在2015年以前，超导材料最高Tc记录仍由铜氧化物所保持，约为常压下134K，高压下165K。2015年，德国的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布发现硫氢化物可以在高压下实现202K的超导，点燃了人们寻找室温超导体的希望。

2020年10月，美国罗彻斯特大学兰加·迪亚斯团队宣称在碳-硫-氢三元化合物中实现了室温超导，其压力为267GPa，Tc为288K（即相当于15 ℃）。然而相关数据结果受到业内的广泛质疑，该论文最终于2022年9月被Nature期刊撤稿。

来源 | nature.com

挤压在两钻石之间的C-S-H三元化合物 来源 | 量子认知

2023年3月8日—9日，同样是美国罗切斯特大学的迪亚斯团队宣布发现“近常压室温超导”材料，一种由镥-氮-氢（Lu-N-H）构成的三元化合物，在1万个大气压下（即10 kbar），超导Tc为294 K（相当于21°C）。该发现引起了科学界和全社会的轰动，但相关专业领域的科学家对此仍保留怀疑态度。室温超导是否真的实现，尚待更多的科学实验重复和验证。

一种蓝色的镥-氮-氢三元化合物被认为是“近常压室温超导体” 来源 | 美国罗切斯特大学

超导的应用

尽管真正实现“室温超导”还需要科学家们继续探索，然而超导材料的应用已经非常广泛，如医疗设备、电力能源、交通运输、机械工程、高能物理、电子通信等领域。

超导体可以制成超导输电线。常规输电线的电阻会造成约10-15%的电流损耗。超导输电线在一定条件下电阻为零，也无需变电所等设施，可将损耗降低到1%及以下。其制作的通信电缆和天线，性能也优于常规材料。

超导电缆及其内部结构 来源 | NKT公司网页https://www.nkt.com/

超导材料还能制作各种用途的超导磁体。超导磁体的优势是可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。

现代核磁共振成像（MRI）就是利用超导磁体工作的，目前被广泛地应用于医疗检测，是最为精确的医学检测手段之一。

核磁共振检查 来源 | 网络

超导可控核聚变装置，俗称“人造小太阳”，就是利用强大的超导体约束氘-氚等在极高温下的核聚变，是未来能源危机的解决方案之一。

超导可控核聚变装置原理示意图 来源 | The Innovation 3(4), 100269 (2022).

由超导线圈制作的磁悬浮构件，可以产生比传统磁悬浮构件大得多的悬浮力。因为在导体截面相同时，超导体制作的导线可以比传统导线承载高出几十倍的电流，产生的磁力也更大。且超导线圈因为无电阻不会产生能量损耗，更加节能环保。

高速超导磁悬浮列车设想图 来源 | 罗会仟,《超导“小时代”》，清华大学出版社，2022年版.

超导磁体还可应用于电机、高能粒子加速器、受控热核反应、储能等；利用其完全抗磁性还可制作无摩擦的陀螺仪和轴承。不仅如此，在弱电方面，超导体还可以用于量子计算、微波通讯、单光子探测、太赫兹探测等多个领域。

超导体的强电和弱电应用 来源 | 罗会仟, 中国科学院科学公开课《激荡百年的超导探索之路》.

超导材料的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了宽广的应用前景。它的优良特性不仅能够大幅改变社会生产模式，更能在这个能源紧缺的时代，实现节能环保的重要目标。随着科学家们的持续探索，未来它一定能够为人类发展带来深刻重大的影响。

本文综合自：北京日报客户端、机械工程材料微信公众号、齐鲁工业大学材料科学与工程学部微信公众号、人民资讯、中新经纬、光明网等

参考文献：

1.罗会仟, 周兴江. 神奇的超导[J]. 青海科技, 2012(2):30-32.

2.罗会仟,《超导“小时代”》，清华大学出版社，2022年版

3.Zheng J , Qin J , Lu K , et al. Recent progress in Chinese fusion research based on superconducting tokamak configuration[J]. 创新（英文）, 2022(004):003.

4.Zhong X , Tse J S , Hemley R J , et al. Theory-directed discovery of high-temperature superconductivity in clathrate hydrides at high pressure[J]. 创新（英文）, 2022(002):003.