室溫超導夢又近了一步

李忠東

新材料嶄露頭角

一個多世紀以來，室溫超導一直是材料科學領域的研究熱點。現在它或許終將成為現實，徹底改變我們的用電方式。美國羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授蘭加·迪亞斯和同事們，在極高的壓力下壓縮氫氣成簡單的固體分子，首次創造出在室溫下具有超導性的材料。新成果表明，研究人員朝著創造出具有極優效率的電力系統邁進了一步。如果常壓室溫超導成為現實，那么或將引發能源革命。

在此之前，超導材料的最高溫度是2019年在德國馬克斯·普朗克化學研究所的米哈伊爾·埃雷米茨實驗室，以及美國伊利諾伊大學的拉塞爾·赫姆利研究小組實現的。該研究團隊報告了用鑭超氫化物在170萬個大氣壓的高壓下實現-23°C的超導轉變溫度。近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學物質作為高溫超導體的潛在可能性。不過作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有前景的元素。

要獲得高溫超導體，需要更強的化學鍵和更輕的元素。氫是最輕的材料，而氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上來講，固體金屬氫具有很高的德拜溫度和很強的電子-聲子耦合，這是室溫超導所必需的。德拜溫度是固體的一個重要物理量，來源于固體的原子熱振動理論，它不僅反映晶體點陣的動畸變程度，還是該物質原子間結合力的表征。物質的許多物理量都與它有關系，如彈性、硬度、熔點和比熱等。然而，僅僅是將純氫轉化為金屬狀態就需要非常高的壓力。2017年，美國哈佛大學教授艾薩克·西爾維拉和當時在其實驗室做博士后研究的迪亞斯合作，在實驗室中首次實現了這一目標。

在羅徹斯特大學的實驗室里，迪亞斯團隊使用一種替代性的富氫材料，它既模擬了純氫的超導相，又可以在更低的壓力下實現金屬化。研究人員首先在實驗室中結合了釔和氫，由此產生的超氫化釔表現出了超導電性。接下來，他們對共價富氫有機物衍生材料進行了探索，通過加入第三種元素——碳，將臨界溫度提得更高，因為碳能與鄰近原子形成很強的化學鍵。最終，碳質硫氫化物可以將實現超導的溫度提高到15°C。

本次實驗在267萬個大氣壓的高壓下，實現15°C的超導轉變。迪亞斯聲稱，這是人類第一次在室溫下觀察到超導現象。他們的發現將為許多潛在的應用提供可能。但他們雖然解決了溫度的障礙，卻又出現了高壓這個難題，此次的室溫超導是在267萬個大氣壓的高壓下達成的，十分接近于300萬個大氣壓的地球地心處的壓力。這么高的壓力，全世界也只有很少的實驗室可以實現。

超導現象是指電能可在導體中零電阻通過，而這一現象只有在接近絕對零度（大約等于-273.15°C）的溫度下才能觀察到。科學家們一直對超導材料孜孜以求，但截至目前超導性仍需要極低的溫度和極高的壓力條件。目前，迪亞斯研究團隊開發出室溫下的超導材料，只解決了一半的難題。金屬般的固體氫本身具有超導性，但因為需要非常高的壓力而極難制造。在化學上，加入碳和硫起到對氫進行預壓縮的作用，能降低制造難度。

超導體應用廣泛

根據導電性能，可以將物質分為導體、半導體和絕緣體。在導體中，存在大量可以自由移動的帶電粒子，它們可以在外電場的作用下自由移動，形成電流。在絕緣體中，電子則被束縛在原子周圍，不能自由移動。半導體是指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，帶電粒子能自由移動，但在運動的過程中也會受到原子的散射，產生電阻。

研究團隊將氫、碳和硫結合在一起，以光化學合成的方法在一個金剛石壓腔中合成了簡單的有機衍生碳質硫氫化物。

一塊磁鐵懸浮在一個用液氮冷卻的超導體上。

1911年，荷蘭物理學家海克·卡曼林·昂尼斯發現，把汞冷卻到-269°C時電阻會突然消失，電子會在其中無阻礙地運動。后來，他又注意到許多金屬和合金都具有與汞相類似的特性。他將這種特殊的導電性能稱之為“超導態”，這是人類首次發現超導現象。海克·卡曼林·昂尼斯因研究物質在低溫下的性質，并制出液態氦而榮獲1913年諾貝爾物理學獎。此后的一個多世紀中，新的超導材料相繼被發現，一波接一波沖擊更高的超導臨界轉變溫度，每次發現都推動著科學家投身相關的研究熱潮。

超導體材料具有完全電導性、完全抗磁性、通量量子化3個基本特性。完全導電性又稱為“零電阻效應”，是指溫度降低至某一溫度以下時電阻突然消失的現象。完全抗磁性又稱為“邁斯納效應”，其中的“抗磁性”是指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內部磁場為0的現象。“完全”則是指降低溫度達到超導態、施加磁場2項操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導體表面能夠產生一種無損耗的抗磁超導電流，這一電流產生的磁場，抵消了超導體內部的磁場。通量量子化又叫“約瑟夫森效應”，是指當2層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象，即在超導體—絕緣體—超導體結構產生超導電流。

超導磁懸浮列車利用超導材料的抗磁性。

超導體意義重大，而超導體在實現室溫超導后，可應用于生產和生活的方方面面。目前，應用電子技術都基于有電阻的電路，大量能源因普通導體存在電阻而轉變為熱量白白損耗。實現室溫超導有望使電能極少轉變為熱量，從而提升導體和裝置的效率，極大地推動現有電子技術的發展，使超導電器的使用變得更加方便，讓更多的精細電元件可以應用到我們的生活中。如基于超導微波技術的量子計算機，表明了超導體在計算機領域應用的可行性。

通常超導發電機有2種：一種是將普通發電機的銅繞組換成超導體繞組，以提高電流密度和磁場強度，具有發電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優勢;另一種為超導磁流體發電機，具有效率高、發電容量大的優勢。超導磁流體自身損耗小，能將發電損耗降至最低，導致放發電變得更加容易。用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能會損耗在輸電線路上。而由超導材料制作的超導電線和超導變壓器，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。

超導磁懸浮列車利用超導材料的抗磁性，將超導材料放置在一塊永久磁體的上方。由于磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，致使超導體懸浮在磁體上方，利用這種磁懸浮效應可以制作高速超導磁懸浮列車。如果將磁懸浮特性應用到機械研發上，可使重要元件沒有摩擦力，那么機械的制動效率和速度將大大增加，能夠實現現有機械做不到的很多功能。磁懸浮技術可以讓人類更加高效地利用空間，也許將來在空中生活不再是夢想。

超導型磁共振成像系統是主磁體為超導磁體的磁共振成像設備。它利用核磁共振原理，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪制成物體內部的結構圖像，可以對很多重要疾病進行診斷。

核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億攝氏度，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應堆中的超高溫等離子體加以包圍和約束，然后慢慢釋放。核聚變原料的廣泛應用，不僅有望徹底解決能源問題，而且讓遠距離的太空旅行也變為可能。由于在航天器中沒有重力，致使宇航員在艙內的運動受到很大限制。而通過常溫超導體的作用力可以模擬這種重力作用，以保證宇航員在航天器內也能如履平地。

下決心攻克難關

超導體分為常規超導體和高溫超導體，其中常規超導體中電子-聲子相互作用較弱。電子-聲子相互作用是指電子與晶格振動之間的相互作用。高溫超導體是超導物質中的一種族類，具有一般的結構特征以及相對上適度間隔的銅氧化物平面，主要包括銅氧化物超導體和鐵基超導體。迪亞斯團隊實驗用的超導材料為含有碳、氫和硫3種元素的化合物，仍屬于常規超導體。

超導態物質之所以具有完全的導電性，在于低溫下那些自旋、動量都相反的電子可以兩兩結合成對（庫珀對），從而在晶格中的運動無損耗。“庫珀對”是美國物理學家利昂·庫珀于1956年首次提出的，描述在低溫下一對電子以某一方式束縛在一起的理論。在低溫超導體中，電子并不是單個地進行運動，而是以弱耦合形式形成配對，一般稱之為“庫珀對”。形成庫珀對的2個電子，其中一個自旋向上，另一個自旋向下。同性相斥的電子怎么能結合成對呢？這是由于電子間不是直接相互作用，而是通過晶格振動傳遞相互作用的。帶負電的電子在運動時，會對附近帶正電的晶格粒子產生吸引作用。而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子會異性相吸，將其他帶負電的電子拉過去。

要使電子更容易形成庫珀對，當然是靠電子吸引來的晶格粒子，而這種電子非氫莫屬。氫排在元素周期表的第一位，是最輕的粒子。固體氫的熔點為-259°C，在高壓下會由絕緣態變為金屬態。由于氫原子很輕，因此金屬氫形成庫珀對的溫度（即超導轉變溫度）也應該很高，更可能接近室溫。但與此同時，它所需的高壓也非常高，現有的設備難以滿足。而一些含氫的化合物，則可以在目前技術水平達到的高壓下，在室溫下形成超導體。

在發現所制造材料的電阻在15°C條件下變成0時，迪亞斯研究團隊進行的另外幾項測試以證實它真的具有超導性。當前的問題是，知道這種超導材料由碳、硫和氫構成，但不知道這些元素是如何結合在一起的。就這類研究而言，在不了解結構的情況下進行試驗并不鮮見。現在還需要進行更多的理論研究，用各種化合物模型來匹配這種材料，從而弄清楚它到底是什么。研究人員還表示，這種化合物含有3種元素，不像其他超導體往往只含有一兩種。對這種元素組合做進一步的“成分調整”，可能是在較低壓力和更高溫度下實現超導性的關鍵。

對此，美國加利福尼亞大學圣迭戈分校的布賴恩·梅普爾評價道：“這項研究啟發了人們思考常規超導體和高溫超導體的關系、超導電子配對的機制、未來尋找新材料的方向、應用超導技術的新領域等，描繪了人類更加美好的未來。”但也有研究者認為，迪亞斯的實驗條件十分極端，這意味著距離實際應用還非常遙遠。目前，迪亞斯等人創建了一家名為“非凡材料”的公司，希望能找到一種在日常壓力環境下可以大規模生產的室溫超導材料。

用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上。而用超導材料制作的超導電線和超導變壓器，可以使電力幾乎無損耗地輸送給用戶。