先别管室温不室温的，超导你真的弄明白了吗？

出品：科普中国

作者：卢健龙

监制：中国科普博览

近日，美国罗切斯特大学的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）宣布其团队发现了一种能在21摄氏度和一万个标准大气压下实现超导的材料。消息一出，便引起了物理学届甚至科学界的热议。

之所以受到热议，一是因为室温超导在物理学家们心中一直是至高无上的圣杯，二是因为这篇论文之前因无法被其他实验室复现而撤稿，如今仅半年之后，论文又一次登上了《自然》。

这次的研究有什么意义？室温超导为什么这么重要？这还要从超导现象的发现历程说起。

第一个发现超导现象的人

众所周知，超导现象就是指导体在特定条件（比如温度、压强、磁场等等）下电阻为0的现象。1911年4月8日，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）通过实验发现了超导现象。

海克·卡末林·昂内斯

（图片来源：维基百科）

1911年在物理学发展史上是一个很容易被忽略的年份。那时，狭义相对论已经诞生了6年，广义相对论还要再等上4年，量子力学的完成更是远在15年以后。当时的物理学家们对于微观层面的物理现象还没有一个清晰的认识，所能倚靠的只有各种繁杂零碎的理论工具，理论之间的矛盾更是层出不穷。

在昂内斯观察到超导现象之前，物理学家们对于导体在接近绝对零度时的导电性质并没有一个统一的意见。有些物理学家甚至猜测电流在接近绝对零度的导体中会几乎完全停滞，换句话说，就是此时导体的电阻会趋于无穷大，这其中就包括19世纪最著名的物理学家之一、被用于冠名绝对温标单位的开尔文勋爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin）。

1911年4月8日，昂内斯将汞放到液氦中冷却，结果发现被冷却到4.2K（约-269℃）的汞突然没有了电阻。昂内斯立刻意识到了这个发现的重要意义，后续又发表了一系列关于这一现象的研究论文。

汞的超导性示意图

（图片来源：维基百科）

作为历史上观察到超导现象的第一人，昂内斯的发现平息了之前物理学家们关于导体在低温下到底会有什么性质的争论，并开启了人类攀登超导高峰的波澜壮阔的征程，也在短短两年后为他赢得了诺贝尔物理学奖。

但昂内斯观察到的超导现象，需要的温度是4.2K，如此低的温度意味着超导体基本没有任何日常实用的可能性。

如果我们希望将超导体应用在日常生活中，比如长距离且几乎无损耗地将电力从发电厂传送到千家万户，那么接近日常生活的工作温度和压强是必不可少的条件。因此，在确认超导现象存在以后，如何将产生超导的温度和压强推进到接近日常状态，便成了物理学家们孜孜以求的夙愿。

追求“高温”超导的年年岁岁

接着，物理学家又陆续在其他材料中发现了超导现象，与之伴随的是日渐提高的超导临界温度。

其中德国物理学家约翰内斯·贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednorz）与瑞士物理学家卡尔·米勒（Karl Alexander Müller）于1986年共同发现的镧钡铜氧化物（Lanthanum barium copper oxide）是人类历史上的第一种高温（此处的高温是相对来说的）超导体，其超导临界温度（35K）比起之前的Nb3Sn和Nb3Ge等基于铌元素（Niobium）的超导材料有大幅提高。

这一发现很快便被授予了1987年的诺贝尔物理学奖，随之而来的还有其后一系列铜氧化物高温超导体的诞生，其中就包括人类历史上第一种超导临界温度（93K）超过液氮沸点（77K）的高温超导体——著名的钇钡铜氧化物（Yttrium barium copper oxide），简称为YBCO。

为什么要强调液氮沸点呢？这是因为如果一种导体的超导临界温度超过液氮沸点，那就意味着我们用价格低廉的液氮就可以很容易地将它冷却成超导体，应用成本比起之前的超导体大大降低了。

不同超导材料的临界温度

（图片来源：维基百科）

物理学家们还发现了可以通过对相关实验材料施加远大于标准大气压的压强来获得更高的超导临界温度。

比如2015年人们发现对硫化氢（H2S）施加约150GPa（约150万个标准大气压）的压强便可以使其在203K（约-70℃）的“高温”下发生超导相变。

目前实验中观察到的超高压条件下超导临界温度最高的材料之一是LaH10 ，其对应的压强和临界温度分别是约170GPa和250K（约-23℃），这一温度已经非常接近零摄氏度了，生活在东北地区的读者想必对这个温度并不陌生。

然而，超高压条件是横亘在实验室发现和日常实际应用之间的鸿沟，毕竟大规模的超高压设备意味着天文数字般的成本，实际应用中除了材料性质以外，成本控制也是必须考虑的。

走近超导现象的背后

伴随着实验方面的进展，物理学家们也想弄清楚超导现象背后的物理原理，因此对于超导现象的理论研究也一直在往前推进。

早在1950年，俄国物理学家维塔利·金兹堡（Vitaly Ginzburg）和列夫·朗道（Lev Landau）便提出了以他们名字命名的金兹堡–朗道理论，它是一个用于描述宏观超导现象的唯象模型，不涉及超导现象背后的微观机制。

维塔利·金兹堡（左）和列夫·朗道（右）

图片来源：维基百科

这就好比，在研究热现象的时候，物理学家们有一套叫作热力学的理论，这套理论研究的是物体宏观上的一些性质（比如温度、压强等等），没有涉及到更深层的微观层面的概念（比如组成物体的原子等等）。

在金兹堡–朗道理论中有一个金兹堡–朗道方程，从金兹堡–朗道方程中，我们还可以得到两个重要的物理量，它们分别是相干长度（coherence length）和穿透深度（penetration depth），这两个特征长度的比值是物理学家们划分第一类超导体和第二类超导体的依据。

什么是第一类超导体和第二类超导体呢？简单地说，第一类超导体有一个磁场临界值，一旦外部磁场强度超过这个临界值，整个导体就不再是超导体了；第二类超导体则有两个磁场临界值，如果外部磁场强度位于这两个临界值之间，那导体内部仍然有一些区域的电阻为0，而当外部磁场强度超过两个临界值时，这个导体就会失去超导性。

历史上第一个关于超导性质的微观机制的理论诞生于1957年，它的创造者是美国物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）、利昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施里弗（John Robert Schrieffer），因此被命名为BCS理论。

根据BCS理论，导体中的电子-声子（声子不是像电子那样的真实粒子，而是一种准粒子，是科学家们从粒子的角度去理解导体内部的原子振动所创造出来的一种概念）相互作用会导致电子之间产生吸引力，进而形成被称为库珀对（Cooper pair）的电子对。凝聚状态下的库珀对能够像超流体似的无障碍地在导体内部自由流动，导体在超低温时的超导性质正是来源于此。

然而，BCS理论并不是能够解释所有超导现象的终极理论，比如前面提到过的铜氧化物高温超导体就不能用BCS理论去解释。这些不能用BCS理论去描述的超导体被称为非常规超导体（unconventional superconductors），最早的非常规超导体是于1979年被发现的CeCu2Si2，其超导临界温度仅有0.6K，远低于同为非常规超导体的铜氧化物高温超导体。

非常规超导体背后的的微观机制研究是一个很活跃的研究领域。一个著名的例子就是美国物理学家菲利普·安德森（Philip Warren Anderson）和印度物理学家Ganapathy Baskaran在1987年提出的共振价键理论（resonating valence bond theory）。

电子之间形成共价键

（图片来源：维基百科）

在这个理论中，铜氧化物晶格里的电子在相邻的铜离子之间形成共价键并被固定，经过掺杂以后这些电子便可以形成移动的库珀对，从而产生超导现象。2018年火遍全网的转角双层石墨烯也属于非常规超导体。

到目前为止，我们离完全理解非常规超导体还有很长的路要走。

结语

这次迪亚斯团队发现的材料可以在21摄氏度和一万个标准大气压下实现超导。虽然一万个标准大气压看起来很大，但相比于之前提到的动辄需要上百万个标准大气压的其他高温超导体而言，这完全可以称为“近常压”了。如果这个发现后续被其他研究组证实，那无疑是一个实验上的巨大飞跃。至于能不能被证实，我们还需要静观其变。

当然，即使被证实了，迪亚斯团队所发现的这种新材料距离日常应用还有很远的距离，因为超导临界温度和压强并不是仅有的需要考虑的因素，临界电流密度和临界磁场也很重要，另外，从实验室少量制备到工业化大规模量产的工程问题也是无法回避的挑战。

对于这件事，你怎么看呢？