物理學百年“聖盃”室溫超導，距離我們到底有多遠？
作者｜崔玉賢
出品｜本站科技《態℃》欄目
室溫超導，這個被認爲是凝聚態物理學界的“聖盃”，可以衝擊諾獎的研究真的到來了嗎？近日，美國羅切斯特大學物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團隊宣稱，創造出了能夠在室溫條件下實現超導的新材料。
這就像一顆雷平地炸響，震動了物理圈。要知道，室溫超導如果可以實現，而且真的走向了人類生活，那麼，整個世界將會改變。室溫超導將會顛覆能源科技，電力傳輸效率大大提升，常溫量子計算機、高速超導磁懸浮、可控核聚變裝置、超級超導發動機等等將不再是夢想。
然而，在外界看來這則“爆炸性消息”，物理領域研究人員則非常理性。中國科學院物理研究所研究員羅會仟在連線本站科技直播時表示，大家反應比較平淡。首先，迪亞斯的這次報告已經在去年（2022年）小型會議上做過交流，圈內少部分人已經知道；其次，在這次報告之前，大家已經看到報告題目和摘要，也已經知道他要講什麼內容；更重要的是，迪亞斯此前已經做過類似實驗，大家更多是抱着一種看熱鬧的心態，看看實驗是否可信之類的。
要知道，迪亞斯以及團隊一直以來爭議纏身：2020年Dias就宣佈可以實現室溫超導，還登上了Nature封面，隨後兩年 圍繞該實驗的結果爭議不斷，其他實驗室反覆嘗試，都未能復現結果，因此，不斷有物理學家質疑數據結果的合理性，2022年9月，Nature不顧作者的抗議強行撤稿；另外一件則是迪亞斯在哈佛讀博士後期間發表的一篇論文也惹出過麻煩，他們宣佈合成出了首個金屬氫材料，論文發表在了Science，但是論文發表後，團隊稱由於操作失誤，該金屬氫樣本已經損毀，其他研究組也未能重複出相關結果。
因此，對於迪亞斯的這次實驗結果，媒體也撰文：讓子彈再飛一會。
那麼，要飛多久才能知道真僞呢？羅會仟表示，可能需要幾周或者一兩個月的時間，當然也可能更快，或將有實驗室能完成對這項工作的驗證。
即使迪亞斯的實驗被驗證是正確的，也並不像迪亞斯所說一定會是重塑21世紀的革命性技術。羅會仟表示，大家不用太激動，離革命性技術還是挺遠的，一個新材料從出現到大規模使用距離還是非常遙遠的。
“一種超導材料要想被應用，臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度都很重要，三個參數都要高，才能具備大規模應用的基礎。”羅會仟表示，“而且除此之外，要想大規模商用，還要面臨着很多指標考覈，比如機械性要很好，化學穩定性高，材料成本等等。”
對於室溫超導來說，目前最大的障礙是來自兩個方面：一是基於現有常規BCS理論預言的氫化物超導體往往需要超高的壓力才能實現，技術挑戰太大了；二是人類對非常規超導機理的認識還是很不完善的，尋找超導新材料很多時候相當於兩眼一抹黑，只憑着自己的感覺在做事情。相比發現室溫超導新材料，羅會仟認爲能夠發現新現象和新物理，最終幫助解釋非常規超導機理等纔是基礎科學研究最關心的，能對整個物理學框架的發展做出重要貢獻。
對於網民來說，相比迪亞斯的發現，可能更關心的是中國在超導方面的進展和地位。羅會仟表示，中國在超導方面的基礎研究基本上是走在世界前列的，可能還沒做到最好，但我們敢說中國已經非常厲害了。
以下爲本站科技連線中國科學院物理研究所研究員羅會仟紀要部分內容：
本站科技：近日，美國蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團隊宣稱創造出了能夠在室溫條件下實現超導的超導體。在您看到這個消息的時候，第一感想如何？
羅會仟：其實我們當時反應還是比較平淡的。實際上蘭加·迪亞斯在去年一個小型的會議上就已經公佈了，只是圈內少部分知道。在此次報告之前，大家是可以看到他的報告題目和報告摘要的，也可以猜出來他要講什麼內容。
另外，此前蘭加·迪亞斯也做過一些相關體系的報道，所以大家更多是一種看熱鬧的狀態，就想看看這到底是什麼東西，實驗可不可信等等之類的。
本站科技：迪亞斯實現的21攝氏度+1萬個大氣壓，這個指標是突破性的嗎？是有意義的嗎？
羅會仟：迪亞斯找到了一種由鑥-氮-氫（Lu-N-H）構成的新材料，有三個元素組成，這條路線實際上在2019年左右就已經開始了。但一般稀土鑥+氫化物要實現超導的話，最起碼都是幾百個GPa，也就是幾百萬個大氣壓的情況下才可以實現。所以，他的工作如果是準確的話，能夠在1GPa大氣壓左右實現的話，相比幾百個已經降低很多了，但依舊是屬於高壓範疇。1GPa與常壓相比還差的很遠。舉個例子，地球最大壓力也就在馬裡亞納海溝，大概是11000米的深度，相當於1100個大氣壓，還不到1萬個大氣壓，所以，1萬個大氣壓壓力還是非常大的。
本站科技：現在已經有很多物理團隊在重複做這個實驗了嗎？
羅會仟：據我所知，肯定是有很多團隊可以做的。因爲以前此類材料實現超導要求達到幾百萬個大氣壓，尤其是400萬甚至500萬的大氣壓，全世界沒有幾個研究所可以做這樣的事情。因爲實在是挑戰性太大，它涉及到方方面面，實驗技術、實驗經驗、實驗成本等等都非常重要。
如果今天1GPa大氣壓就能實現室溫超導，就意味着很多實驗室都能夠實現，比如很多商業化的高壓設備就能夠實現，這些設備非常輕鬆地達到2-3個大氣壓都是沒有任何問題的。
所以，在這種情況下，如果大家都按照他的路線去做，應該是很容易實現的，幾乎所有超導實驗室，只要願意花點錢買設備，就可以開始驗證工作。但是到底誰在做驗證工作，我也不是很清楚。
在3月9日，3月14日arxiv張貼了兩篇文章，都是來自我的同事的工作，涉及鑥-氫化物的超導電性探索。
嚴格意義上來講，他們的工作不能算是對迪亞斯實驗的驗證。因爲稀土氫化物這條路線在2019年就已經出現了，業界已經開始朝着這條路線去努力。也即在高溫高壓下合成，然後到幾百個大氣壓下去尋找超導電性。而且，這兩篇文章裡的材料都不含氮元素。
如果大家仔細看迪亞斯這次實驗的報道的話，可以發現雖然沒有具體參數，但可以看到氮的含量是很高的，而不是像之前所謂的摻雜一點進去，如果仔細看它的分子結構，大概可以猜出來鑥和氫的含量基本接近1:1了，含量很高了，在這樣的情況下就不是摻雜了，而是合成的了一個新材料。但到底有沒有這種結構，還是個問題。大家朝着這個方向走纔是完全重複他的路線。
本站科技：一般對物理學家來說，需要重複多少次或者多長時間才能證明這個實驗的真僞呢？
羅會仟：重複性驗證是非常重要的，不能說你驗證過一次還是驗證過兩次，就算重複了。首先你本身就要進行重複性實驗，在這個基礎上，進行發表。然後，將實驗條件、方案公開之後，被人照着方案做一遍，基本上能夠做出來，進行驗證是非常重要的。
舉個例子，當時硫化氫超導出來的時候溫度也是很高的，202 K是非常驚人的，因爲當時之前最高記錄高壓下的超導體，也就是銅氧化物大概是高壓下164 K或者說165 K，然後突然之間來了個200 K以上，也是比較震驚的一件事情。
但當時業界對這件事反應也非常平淡，直到一年時間之後才真正熱起來。這是非常有趣的現象。爲什麼呢？因爲當時硫化氫超導出來之後，雖然最後發表了論文，但一開始文章裡的數據質量並不好，大家都是持一個懷疑觀望的態度，尤其是結果能不能被重複，大家就打了一個問號。
經過了半年時間，《Nature》專門派了一個專家團隊去研究組，要求將實驗記錄都能夠通過，並且補充磁化率的數據。雖然非常困難，但最終還是補充出來了。
還有一個非常重要的事，就是當時其他國家的科學家，至少重複了一大半的結果，比如在100萬的大氣壓以下數據基本100%重複了，再往上的話，實驗難度比較大，結果各有不同，算是基本上驗證了它的結果。
在經過很多重複的結果之後，大家才慢慢接受這個事情，所以需要一個過程。
本站科技：剛剛您也提到，很多科學家會重複做這個實驗，推斷相關成分，這次迪亞斯沒有公佈相關成分，這是一種常態嗎？
羅會仟：我覺得這是科學家自己的自由。我們也經常聽到過這種事情，甚至有些科學家會在投稿的時候都不會給出具體的分子式，只給數據，論文接收以後再告訴是什麼具體材料，他有這方面的權利。當然，作爲審稿人也有權利，如果作者不公佈具體分子式，可以選擇拒絕稿件。這是雙方面的判斷。相比於上一次C-S-H的工作，這次工作不僅給出了元素組成，而且給了一個大致的分子式和材料結構，已經算是公開了不少信息了。
一般來說，特別高壓的情況下，搞不清楚材料的結構是很正常的，結果實在是太多。材料本身在壓的過程中形成新的結構，也可能會分解，分解之後不同結構的材料混在一起，就搞不清楚超導的出現到底是誰取主導，是很難判斷的。
但迪亞斯實驗的壓力沒那麼高，只有一個1GPa，原則上不超過10萬個大氣壓的情況下，測結構相對來說容易一些，但要想立刻精確地給出分子式也不是大家想象中的那麼容易，這是爲何他的分子式裡有兩個變量的可能原因。
本站科技：如果迪亞斯實驗最終被驗證是真實的，會不會像迪亞斯所說是重塑21世紀的一項革命性技術？
羅會仟：我覺得大家不用太激動，革命性的技術還是挺遠的。一個新材料的出現，能不能被大規模的使用距離是非常遙遠的。
目前爲止我們發現的超導材料至少有1萬多種，甚至更多。我們的無機材料可能有幾十萬種，其中至少有上萬個都是超導材料。所以超導材料沒有那麼特殊的，目前爲止我們知道有兩類高溫超導體，也即臨界溫度能夠超過40 K以上的超導材料，我們有兩類：銅氧化物和鐵基超導材料，當然這裡每一類裡面都有許多種材料。這樣的話意味着高臨界溫度的超導體其實是可以有很多的。
超導材料有這麼多，但是技術層面上可以大規模應用的材料是什麼呢？還是大概幾十年前發現的，主要是所謂的鈮-鈦合金，然後再更進一步是鈮三錫，然後還有鈮三鍺之類的，在那麼多材料中，就挑選了這麼幾個，爲什麼呢？因爲只有這幾個特別好用，雖然超導溫度低到9 K以下，但機械性能特別皮實，其他的超導材料都不是很好用。
對於剛剛發現的新材料，可能絕大部分情況下是不能用的，因爲涉及到的條件、參數實在是太多了。
退一步說，先不管這個材料本身，假設迪亞斯的這個材料是可以找到的，也能夠被重複的，各項性能指標也都很好。但也要注意，合成這個材料依舊還是高壓。那金剛石對頂砧裡面的樣品含量大概也就微克量級。如果想要應用的話，起碼得是噸量級，甚至是萬噸量級。做一次這種實驗，可能要花幾十萬元，才能得到一毫克的材料，怎麼使用？
本站科技：對於超導來說，室溫條件更重要，還是高壓這個條件更重要？哪個更難實現？
羅會仟：確實壓力實現更難一點。其實問題這麼理解，對於超導材料來說，將臨界溫度提高到室溫，還是說在常壓下就能實現室溫超導？肯定是沒有藉助任何壓力下，能夠到達室溫超導是最難的。
高壓確實會提升超導材料的超導溫度，但是它不是對所有的材料都適用的，它對很多材料來講是降低超導溫度的，也是可能的，它既有好處也有壞處的，所以具體是看你研究什麼樣的材料。
本站科技：實現室溫超導目前主要的障礙在哪裡？
羅會仟：室溫超導最大的障礙應該是超導機理方面，前面我提到金屬氫化物超導，這類理論是現成的，也就是BCS理論，唯一的挑戰就是實驗技術。
但是對於室溫超導來說，我們希望是在常壓下實現，而不借助高壓，這是我們希望能夠看到的。但這方面的理論有沒有就是很大的一個問號了。
因爲根據傳統理論，滿足BCS理論的金屬超導體不可能超過40 K的，是有上限的，我們稱之爲常規超導體。但目前發現的很多超導體溫度都超過40K了，我們稱之爲高溫超導體，包括高溫超導體在內，還有一些低於40 K的其他超導體，也是不能被BCS理論所描述的，我們統稱它們爲非常規超導體。
那麼有沒有新的理論來描述這件事情，非常遺憾，目前還沒有。到目前爲止還沒有合適的非常規超導理論，就更不用談有沒有合適的常壓的非常規室溫超導理論。這也是前沿探索非常重要的現象，就是很多時候實驗探索是先行的。
所以我覺得最大的障礙是我們對現有超導機理的認識還不是很完善，遠遠沒有到完善的地步。所以，相當於是兩眼一抹黑，只憑自己的感覺在做事情。
本站科技：有人說，誰能夠拿下室溫超導，誰就拿下了諾貝爾獎，甚至會被認爲是牛頓和愛因斯坦之後的物理第三人，您如何認爲？這一成果如果被驗證，可以和科學界什麼發明媲美？
羅會仟：這種說法有點誇大，任何基礎科研的研究，包括室溫超導，它是屬於基礎科研的一部分，任何基礎科學的研究都是一點一滴進展的，任何一個理論，哪怕是愛因斯坦相對論，都不可能是一個瞬間的飛躍，不是一個人一拍腦袋就出來了。這些偉大理論都是借鑑前人的思路慢慢推導出來的。
而且這種新的發現要被大家接受，要被大家認爲覺得有意義，還有很長的時間。更何況我們提的室溫超導事情，它無非表明超導的溫度可以不斷地提高。
科學史上幾乎沒有這種事情，所以大家不用太激動，自己跟牛頓愛因斯坦去比，哪怕你回到牛頓的當年，是不是突然就發現了萬有引力理論，其實也不是，他前面還有伽利略、開普勒、胡克等對行星軌道做了很細緻的研究。
本站科技：現在是常溫（21攝氏度）了，不過還得1GP下，接下來高壓降到什麼程度可以商用？
羅會仟：商用最起碼面臨一個問題，就是需要噸量級以上的這種產量，還有一個成品率的問題。總體目標就是將成本降下來。簡單的說就是性價比，投入和產出比得合理。投入更低的成本，性能更優越。
對於超導體來說，壓力高絕對是不行的，幾百萬個大氣壓的實驗成本已經那麼貴了，金剛石一壓就碎了，才勉強做出微克量級的樣品，怎麼能做出噸量級的產品來。即使達到兩三萬個大氣壓的那些商業設備，大概是幾萬塊錢一個，但產量仍然是毫克量級。
所以大家還是希望壓力進一步降低，比如大概幾十個大氣壓就比較容易了。就像大家給自行車打氣，輕鬆打幾個大氣壓，沒有任何問題。但同樣即使只有10個大氣壓，要想有成噸量級的生產也是有一定難度的。因爲大部分產品除了高壓之外，不可避免的要使用到一個高溫，因爲需要原料充分發生化學反應。這又涉及到更多的實際問題。
本站科技：如果室溫超導可以實現，一般從實驗室到實際應用大概需要多久呢？
羅會仟：我曾經提過，一種超導材料要想被應用，臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度都很重要，三個參數都要高，才能具備大規模應用的基礎。
產業化我們面臨的不是指標的上限，面臨的是指標的下限。如果一旦突破下限就不是很好用。在應用過程中還會對材料的機械性能要求比較高，總不能放在空間裡暴露一段時間就不能用了吧，也不能因爲升溫降溫幾輪後性能就不穩定吧，以及材料本身貴不貴的問題。綜合下來考慮，我們認爲，即使發現了一個常壓下室溫超導體，也要三個臨界參數都非常好才行，能不能用得上估計得幾十年的一個歷程，還是沒那麼樂觀。
本站科技：室溫超導實現之後，到底能夠給我們的生活帶來怎樣的變化？
羅會仟：如果我們找到一個材料確實很完美，而且前面提到的各種問題因素已經解決。那麼，我們生活裡可以用到超導的地方有哪些？
我們所有用到電和磁力的地方，通通都可以用上超導體。可以想象，如果真的實現常溫常壓室溫超導，那麼或許可以用它來織成一個懸浮雲沙發，放在客廳裡也是十分愜意的事情。
最簡單的就是我們的各種電器用上超導體之後就不會發熱，手機、電腦、電風扇也不發熱，功耗低，能源利用率高，電力穩定性也有保障。
我們甚至可以想象，出門汽車也不需要輪子，火車可以掛在軌道下面，沒有跟軌道接觸也是可以的。宇宙飛船也擁有做一個接近無限續航的超導核聚變發動機。
還有我們可以利用超導體的阻抗很好，以及它本身作爲宏觀量子現象，我們可加以操控做一些量子操作，實現量子計算。
所以，將來常壓室溫超導可以實現的話，肯定會極大地改變我們的生活。
本站科技：中國在超導方面有哪些貢獻？目前的進展是怎樣的？地位如何？
羅會仟：中國物理學家在超導領域，特別是超導的基礎研究方面做得是非常出色的。在80年代，非常艱苦的狀態下，我們物理所的趙忠賢老師，以他爲代表的團隊發現液氮溫區的超導材料釔鋇銅氧。
2008年，中國科學家又在高溫超導領域有了重大突破。趙忠賢院士帶領團隊將鐵基超導體的臨界溫度提高到了55K，再一次突破了40 K，說明它屬於新一類的高溫超導家族，推動中國高溫超導研究走在了世界最前沿。
鐵基超導研究中，很多新的超導結構體系，或者元素體系都來自中國。有了這些高質量樣品之後，要研究它的基本的物理性質，然後用某種手段第一次來研究這些材料性質的，基本上都是中國人爲主。
當然還有理論上對鐵基超導材料的認識也是中國人走在最前面的。所以，22009年的時候，Science專門出了一篇報道，標題就叫做新超導體將中國物理學家推向世界最前沿。
我記得當時國際上的科學家就特別迫切地想來中國開會，想來知道我們做到什麼地步了，是這麼一種狀態。有了這個帶動的話，從08年到今天，中國的超導研究在某些方面，其實基本上保持了世界領先。
雖然中國基礎科研整體來說還是落後國際前沿的，在某些方面，比如說我們發現新超導材料，很多時候哪怕是國際上剛出現的新材料，他基本的物性研究，基本機理的認識，很多時候都是中國人先開始的，並且是中國人做的最好的，包括應用方面中國也做的很好。
像鐵基超導材料出來之後，第一根鐵基超導的百米級線材是中科院電工所馬衍偉老師團隊做出來的；銅基超導其實已經幾十年了，銅基超導的產業化，中國也有很多公司已經在大規模開始做了，所以各方面中國的超導基礎研究都是基本上走在世界前沿的，但是可能是最好的水平還沒有做到，但是我們敢說已經是非常厲害了。
本站科技：您認爲中國在室溫超導方面什麼時候可以有突破性進展？
羅會仟：超導下一步的突破，其實有三個方面：一個方面就是新材料的，找有沒有新的超導材料；第二個就是新的現象，新的材料其實更重要的目標是能不能看見新的現象，那麼新的現象它就會給我們帶來整個世界新的認知；也就是第三個能不能實現一個新的物理，對於做基礎科研來講其實是最關注的。
老百姓可能關注他有什麼用，我們最關心他有沒有會產生新的物理。新的物理什麼意思？就是說用現有的物理的理論框架，最基本的概念，去理解新的現象的話，發現理解不了。
實際上這就是超導跟我們帶來的最大的一個啓示，七八十年發現了很多所謂的非常規超導，到目前爲止都不能被理解，也就是出現了很多新現象，那麼，這就意味着一個新的物理在裡面。這纔是挑戰物理學基本理論的，如果能夠建立起來描述非常規超導的理論，對整個物理學的框架都是一個巨大的貢獻。
本站科技：您有本書，超導小時代，非常有趣哈，把超導的發展劃分了幾個時代。室溫超導被劃分到了“雲夢時代”，超導的發展是不是到了雲夢時代就到終點了？這個雲夢時代，會帶給我們怎樣的想象？
羅會仟：我希望不是一個頂點，因爲我們剛剛開始這個時代。
我這本書還出了不同的時代：在啓蒙時代裡，人們敬畏自然、理解自然，從普通的電磁現象，深入到了物質的內部結構和機制。
在金石時代，超導現象被發現，煉丹炒菜外加十八般武藝，初步認識了這個神奇的物理現象。
在青木時代裡，超導材料大爆發，各種各樣的新超導材料，沒有做不到，只有想不到。
在黑銅時代，高溫超導橫空出世，物理學皇冠上的明珠，是那麼耀眼，紛繁複雜的物理現象，激動人。
在白鐵時代，鐵基超導意外發現，超導家族空前繁榮，非常規超導機理似乎觸手可及。
在雲夢時代，室溫超導或許有可能，新超導材料如雨後春筍，超導機理研究不斷帶來重要其實，如夢想般美好。
這個時代能夠持續多少年，我們也不知道，還有沒有下一個時代，我們也不知道。但科學研究尤其是基礎科學研究的發現，總是充滿驚喜，總是會不經意間能夠冒出來。所以大家一定要對基礎科研保持熱度和關注。這是非常重要的，不要今天關注了室溫超導大新聞，明天就不關注我們了。