室温超导

定义

超导现象是指电流可以在材料中以零电阻通过，但严格来说，是指在某一温度以下电阻为零，该温度被定义为超导体的“临界温度”。判断一个材料是否属于超导体，不仅仅要看它是否具有零电阻的特性，还必须同时具有完全抗磁性，即抗磁磁化率达到最大值，为-1。超导体的零电阻特性让传输电流几乎没有能量耗损，超导材料能承载比常规导体更强的电流，在小范围空间里产生更高的磁场；而一般常规导体材料，在导电过程中都会消耗大量能量，产生强磁场会有很强的发热效应。

通常情况下，只有在特定温度之下，材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低，往往从几到几十开尔文（大约零下二百多摄氏度），这在日常生活中非常难达到，而需要依赖液氦、液氮等制冷介质，极大地限制了超导材料的大规模应用。 室温超导指的是临界温度大于等于室温（300K，27℃）的超导体。历史上曾多次有人声称合成了室温超导体，但均被质疑，未获科学界广泛承认。目前尚不存在真正意义上的室温超导体，虽然理论上并没有对超导体的临界温度有明确的上限，但理论上也并没有支持室温超导体存在的证据。

原理

早在1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已经发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，金属汞的电阻会消失，他将该现象命名为超导4。

但直到1957年，才有了第一个能从微观上成功描述超导现象的理论——BCS理论5。该理论由美国科学家约翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·库珀（Leon Cooper）和约翰·施里弗（John Schrieffer）基于量子力学建立。金属中的自由电子在有电压时，会在带正电的原子晶格点阵中整体产生定向漂移形成电流。通常情况下，带正电的原子晶格会存在热振动以及杂质和缺陷，由于原子与电子之间的电和磁性相互作用会干扰电子的集体漂移，从而对电流产生阻碍，即有电阻效应。这三位科学家认为，在超导体中，自旋相反、动量相反的一对电子会被因为间接与原子晶格交换能量，从而形成“库珀对”（Cooper pair），大量库珀对因为量子相干效应产生集体凝聚的波，这种波的空间尺度要远大于原子晶格点阵，可以无阻碍地穿越晶格，实现零电阻状态。

“库珀对”就仿佛是电子组合在一起舞蹈，但随着温度的升高，热运动会逐渐破坏库珀对。而如何让库珀对在温度很高的情况下也能稳定存在呢，尼尔·阿什克罗夫特（Neil Aschcroft）在1968年给出了答案，最轻的元素——氢原子或许能提供更强有力的电子配对“胶水”。氢原子体积和质量都很小，能使得电子在晶格点阵中距离得更近，电子与原子热振动的耦合也更强，库珀对结合更为紧密，这样能使凝聚的宏观量子波传播更快更远，实现室温超导电性6。

但是只单纯用氢，需要500-1000万个大气压才有可能实现室温超导，如果添加另一种元素，让氢嵌入其中，也许会使条件变得不这么苛刻。2014年12月， 德国马克斯普朗克化学研究所的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫氢化物中发现 190 K 超导零电阻现象，压力为150 GPa，之后在2015年8月，他们已经获得了220 GPa下203 K的超导电性，该材料后来被证实为H3S7。这也促成了之后大家对氢化合物的大量尝试，包括ThH10、CaH6、CeH9、YH6、Lu4H23等已经被相继发现能在“高温”条件（＞40K）下实现超导电性，部分材料超导温度能达到200 K以上，不过大都在100-200万个大气压条件下才能实现89。

2019年，人类距离室温超导更近一步。德国的M. I. Eremets研究组和美国的马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）研究组各自宣布，十氢化镧（LaH10）在170-190万个大气压下，可以在逼近室温的250-260K以上出现超导性，这是历史上被业界承认的超导临界温度最高纪录1011。

高压下的二元富氢化物是目前距离室温超导目标最近的材料的体系。理论上，科学家们还预言了更加复杂的高压三元氢化物具有超导电性。例如吉林大学段德芳、崔田等人预言LaBeH8在20万个大气压下Tc≈185 K12，吉林大学刘寒雨、马琰铭等人预言Li2MgH16在250万个大气压下Tc≈473 K13，JAIST的A. Ghaffar等人预言Y3EuH24在200万个大气压下Tc≈220 K14。但是这些材料结构都远比二元氢化物复杂的多，目前实验上如何合成并测量尚属未知。

除了高压下氢化物之外，人们更期待能够找到常压下的室温超导材料。尽管常压室温超导材料未必具有可满足大规模应用的性能，但发现常压室温超导对于基础科学研究有着重大的意义。室温超导的探索，有可能启发新材料探索的思路，从中发现大量的新物理现象。不过，目前为止，并没有公认的室温超导体出现。

质疑

历史上，曾有多人宣称过自己成功合成了室温超导体，但都未能得到证实。一部分宣称者拒绝公开材料合成方法，其他一些被公开的“室温超导”合成方法无法被其他研究组独立重复，部分研究论文在经受广泛质疑之后被撤稿。下表列出了一些宣称合成室温超导体的事件：

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应用

超导材料在能源、健康、医疗、通讯、运输、信息等领域都有非常重要的应用。简单来说，它分为强电应用和弱电应用两大块。

强电应用就是利用超导体零电阻的特点，可以实现很强的电流、很高的磁场。超导材料几乎可以用在所有电力设备里面，比如超导输电、超导储能、超导选矿、超导接头和限流器、超导电动机和发电机等。强大的超导磁体，可以在小尺寸下实现30T以上的稳态强磁场，是基础科研的利器。比如在高能粒子加速器、磁约束可控核聚变、高速动能加载和电磁弹射等方面，超导磁体是必不可少的关键部件。基于超导块材磁悬浮和超导磁体的电动悬浮，可以实现高速磁悬浮列车，运行速度可达600公里/小时以上。

弱电应用指的是超导材料作为电磁波探测或电子学器件。比如：利用超导的良好阻抗性能，可以实现超导的滤波、混频、通讯系统，实现高度的保密性；超导金属可以作为带电粒子加速的微波高频腔，是各种粒子加速器的“心脏”；利用超导纳米线的磁通效应对光的灵敏响应，可实现最为精密的单光子探测。此外，超导作为一种量子效应，它可以实现各种量子极限的器件。最常见的一种叫做超导量子干涉仪，具有世界上最灵敏的磁性探测能力，仅受到量子力学基本原理的限制，可以作为电压的基准。基于它还可以构造出超导量子比特，进而做出复杂的超导量子芯片，实现超导量子计算，对解决特定的数学和物理问题有绝对的优势。在未来，我们甚至还可以利用拓扑超导体的拓扑电子态，实现不依赖于低温的拓扑量子计算，让量子计算的成本大幅度降低，稳定性大大提升。

目前，超导相关的应用还只能在较低温度下实现，超导体需要使用大量液氮甚至昂贵的液氦来冷却，成本高昂且有一定的安全隐患。常压条件下的室温超导一直是凝聚态物理学有待摘取的“圣杯”，一旦成功合成并实现较好的性能，会对物理学、材料学及工程学的相关领域都有巨大的推动。 室温超导可能会对人们的生活带来巨大的改变，比如家里的家具可以没有腿的磁悬浮状态，出门可以看到天上有悬浮的城市，地上的汽车没有轮子，城市之间有高速的磁悬浮列车，甚至还有续航优越的超导太空飞船实现太空移民的梦想。只是，室温超导何时能够实现并没有预期，需要一代又一代的科学家坚持不懈地去探索。

当然，实现室温超导也并不意味着马上就会掀起一场工业革命，因为室温超导材料未必好用。对于强电应用而言，超导体的载流性能依赖于三个临界参数：临界温度、临界磁场、临界电流密度。适合于强电强磁应用的超导材料，不仅仅是临界温度，实际上三者都要高。同时批量化的制备和使用，还要求材料的机械性能要好、化学稳定性要好、原料和制备成本要低等。对于弱电应用而言，并不需要大规模生产超导材料本身，但在物理性质方面有更多的参数指标要求，比如电子平均自由程要长，库珀对相干长度要大，关联效应要强，超导能隙大小要合适，量子束缚态要易于操纵等等，一个超导薄膜是否合适做高灵敏度的电子元器件，对其平整度、表面阻抗等有更高的要求。如果实现室温超导，意味着电子集体们要维持高温配对就要付出更多的代价，其他的参数可能就会特别低，比如临界电流密度可能极小，稍微通电即变成不超导，抑或临界磁场特别低，在有磁场情况下磁通线容易进入超导体内部，造成非常复杂的磁通运动，以至于无法实现强电应用。也有可能室温超导体中库珀对的相干长度很短，或者寿命极短，无法长时间维持超导的状态，那么也很难有什么弱电应用。