简单来说,美国物理学会的三月会议上,来自罗彻斯特大学的Ranga Dias宣布,他们团队在近环境压强下实现了室温超导。

这个消息在中文互联网流传之后,很快就有了详细的解读,业内人士的普遍看法是:先观望一会儿。

一是这个研究本身还不确定,有学者对实验数据提出了质疑,认为样品过于均匀,实验结果目前还没有被其他课题组复现。

二是这个团队带头人有“前科”,Ranga Dias在2020年发表于《自然》上的论文被撤稿了,多个研究组试图重复该实验,结果都不理想。Ranga Dias不披露原始数据,后来又说自己论文中合成的金属氢“消失”了,引发大家的一致抗议,认为“ Something is seriously wrong”。

所以,室温超导虽然是“诺奖级”的工作,但说Ranga Dias已经摘下了“圣杯”,还为时过早。

这件事并不复杂,三言两语就能说完。但有趣的是,明明诺奖八字还没一撇,还是大多数人都不了解的凝聚态物理领域,却引得中国科技圈一片焦虑,大众媒体也积极报道。

除了超导领域本身的重要性之外,还是因为这条新闻,激发了当下国际科技竞赛的普遍焦虑。

毕竟前不久,人工智能领域的“皇冠”,刚被OpenAI用ChatGPT摘下,通用人工智能眼看着有希望了,现在物理学的“圣杯”,又抢先被美国科研人员拿走了?

在广泛流传的一张网图里,连认证的中科院研究员,都感受到“降维打击”了,让很多人担心,咱们在基础重大突破上,不会又被拉下一大截吧?

同班同学刚考了个语文的年级第一,你正摩拳擦掌、悬梁刺股,预备下次考试好好发挥呢,人家又捧回来一个国际物理竞赛金奖,直接保送了。可不就激发了咱们担心落后的“焦虑情绪”。

只能说明,对于基础科技创新,大家真的太焦虑了,一有风吹草动就如临大敌,忽略了咱们中国在超导领域,也是非常优秀的。

目前,美、日、中是全球超导领域的领先者。2008年,《科学》杂志就以“新超体把中国物理学家推向世界最前沿”为题,认为 “中国如洪流般不断涌现的研究结果,标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。”

所以大家先放下焦虑,放下担忧,我们来聊聊超导究竟是什么?为什么能成为“诺奖级”工作?对大众生活和科技产业能带来哪些影响?

凝聚态物理?超导性?这些专用名词,是绝大多数普通人日常很少会涉猎到的。所以咱们先不去掰扯复杂的理论和技术概念,先来说一个有趣的事情:超导就在你身边。

超导,就是“超级导电”的意思,具有这种超级导电性的材料,就是超导体。之所以能超级导电,源于电阻为零的特性。

九年义务教育常识:电流穿过电子设备/电线环路时,会遭遇电阻,导致一些能量以热量的形式而损失掉。你的手机在高负荷运转或充电时会发热,变成暖手宝,就是这个道理。

荷兰的理论物理学家保罗·埃伦费斯特说过,超导环路里是“永不消逝的电流”。所以,有电的地方,就有超导的用武之地。

今天,超导在多个领域的应用已经非常成熟甚至是商业化了。我们从两个场景来看:

基础科研:基础科学研究往往需要强磁场的环境,大型粒子加速器、高能粒子探测器、人工可控核聚变装置都需要高强度的超导磁体。

能源行业:现阶段最高效的特高压交流输电技术,需要经过变电站,以市电电压传输到各家各户,长距离传输会带来电能的损失,造成能源浪费,加重环境的负担。而零电阻的超导电路,就完全不需要变电站,可以在较低电压下进行高功率传输,零损耗地传输电能,这对能源行业是革命性的变化。

医疗行业:如今医院采用的核磁共振成像仪(MRI),成像清晰度和辨识度很高,靠的就是超导磁体,14特斯拉以上的超强超导磁体核磁共振成像技术,能够把人脑中的860亿根神经元全部清晰地测量出来,为很多疾病提供精准的医疗诊断影像。

交通领域:磁悬浮列车大家可能都听过或坐过,时速和高铁差不多,上海浦东机场的高速磁悬浮列车跑完全程30千米只需8分钟。如果换成超导磁悬浮,速度还能翻倍。2020年,西南交通大学已经建成了首台高速超导磁悬浮样车,未来乘坐时速600千米/时以上的超导磁悬浮高速列车,大家的出行效率会更高。

当然,还有一些与普通人生活比较远的强电应用。比如量子计算,超导量子比特技术帮助打造量子计算机,取得量子霸权;军事用途,超导体可以用于开发高强度电磁脉冲(EMP),用来瘫痪范围内的所有电子设备;太空探索,超导磁体,超导可控核聚变发动机,为太空旅行、宇宙飞船提供源源不断的动力。

普通人日常接触最多的还是弱电应用,比如移动通信、家电、智能设备之类的,这些领域的“超导化”其实也非常常见。

利用超导的零电阻优势制作微波器件,可以减少数据传输的损耗,从而提高信号的识别度。3G/4G基站用上高性能超导滤波器,可以让覆盖的手机信号不串号、不混流量。

大家平时用的笔记本电脑、手机、平板,容易因为散热不佳而烫手、运算速度变慢、烧坏主板器件,集成电路芯片越来越小,传统电路的功耗问题就越明显。如果能用超导体来制作电子元器件,就不用担心CPU发烧了。

我们都知道,第三次工业革命的核心是电气化,物理学家J.C. Séamus Davis认为,特斯拉和爱迪生发明了电力,彻底改变了社会,而超导将再次彻底改变它。

如今,超导并不只存在学术会议、神秘实验室、各国智库报告里,其实已经来到了我们身边。

这么一说,你可能会说,既然3G时代超导就开始商用了,怎么还能持续收割“诺奖”,引无数物理学科学家竞折腰呢?

从发现超导现象,至今不过百年的时间,就已经在凝聚态物理领域诞生了60多个诺奖(诺贝尔物理奖),超导这个更小的分支,就有10个直接得奖,可见这个领域非常重要,而且难度大、收获也大。

那么,超导的百年历史中,都研究了哪些重要问题?我们就以五次超导研究的诺奖为脉络,串联起超导的发展历史。

1911年,荷兰物理学家卡末林·昂尼斯在题为《汞的电阻突然迅速消失》的论文中,将零电阻的现象,命名为“超导”,这项开创性的研究,两年后就获得诺贝尔物理学奖,所在的荷兰莱顿大学的物理实验室,也一度成为世界低温物理研究中心。

冰热了化成水,水热了挥发成蒸汽,这个固体-液体-气体的过程就叫相变。超导体的电阻值,在临界温度下突然下降,而超导热力学效应的理论,可以用来描述超导相变的许多临界现象。

这项工作的50年多年后,三位科学家获得了2003年的诺贝尔奖,说明搞科研不仅要脑子好使,还得有个好身体。

1957年,伊利诺伊大学的三位物理学家巴丁、库珀和施里弗,利用电子配对的思想解释了超导的微观机制,即某些材料如何在低温下以零电阻导电,电子之间要相互吸引,需要晶格作为媒介,形成电子对(Cooper对),解释了汞和铅一类超导体中的超导现象。

凭借这一超导微观理论,即BCS理论,三位科学家在1972年获得了诺贝尔物理学奖。

1962年,剑桥大学的研究生约瑟夫森发现了超导的量子效应,两个超导体中间放上绝缘体,会形成“超导隧道电流”,超导电子可以量子隧穿到另一个超导体中去,加上外界电压之后,会产生量子振荡运动,这一发现对研制高性能半导体和超导体元器件,有很高的应用价值,获得1973年的诺贝尔物理学奖。

1986年,IBM的柏诺兹和缪勒在一种氧化铜材料中发现了高温超导性,可以在35 K(-396 F)的温度下变成超导体。铜氧化物高温超导的发现,将临界温度大幅提高,使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻,极大地拓展了超导应用场景。

这种新型材料,给超导研究注入了全新的活力,二人也在次年(1987年)就荣获诺贝尔物理学奖,比发现超导的“开山鼻祖”昂尼斯的获奖速度还快。

从这些里程碑的诺奖成就中,可以看到,超导是一个百年来硕果累累的基础研究领域,从理论奠基到落地应用的脚步,步履不停,而这个领域还会持续涌现更多的诺奖得主。

那么,超导还有哪些研究方向是诺奖的种子选手,中国的研究实力究竟怎么样呢?

目前,超导领域还有很多未完成的“诺奖级”工作,等待着各国科学家们“搏一搏”。

超导要实现规模产业化,必须开发出更利于应用的超导材料。而一直以来,超导领域都有一个临界温度的天花板——“麦克米兰极限”,即超导临界温度不能超过40 K(零下233.15℃)。

这个临界温度还是太低了,超导体必须通过昂贵的降温技术,比如液氮/液氢,才能保持超导性。为了让超导体规模化应用,就必须探索室温环境下(300 K,即27℃)就能够保持超导性质的材料。

此前曾有很多论文声称找到了“室温超导体”,但基本都无法被同行重复实验,有的实验数据不可靠,最终不了了之。所以为什么说不用焦虑Ranga Dias称近环境压强下的室温超导,因为类似的“狼来了”已经发生过多次,等研究真的被自证和他证了,再着急不迟。

实验技术的桎梏难以打破,基础理论突破或许能带来变革。高温超导微观理论,也是一个颇有前途的诺奖选手。

回顾历史会发现,目前唯一获得诺奖的超导理论就是BCS理论,而能够彻底描述高温超导材料特性的理论,目前还没有一个是公认成功的。底层微观机理的未知与不清晰,也使得相关应用研究只能在既有的规则条件下艰难探索。

如果能够将高温超导机理的微观问题研究明白,能够给室温超导带来意外的改变,加速超导产业化应用的进程,具有里程碑式的意义。

理论突破是金字塔尖的塔尖,寻找室温超导之路,绝大多数研究人员的机会还是在新的超导材料上。

从1911年超导被发现至今,已经有成千上万种超导材料被发现,元素周期表中大约一半的元素都显示具有低温超导性。不过,具有实际应用价值的材料,还是那些便宜、容易获得的金属与合金材料。

前面提到,铜氧化物超导材料的发现,第二年就斩获了诺奖。那么下一个诺奖级材料会是谁呢?答案是铁基超导体。

1987年之后铜氧化物超导材料的发现,开启了超导材料探索的蓬勃之路。如果说此前中国在超导领域的研究基础弱、追赶慢,与国际一流水平有代差。那么从上世纪八十年代开始,围绕高温超导材料,中国科学家迅速跻身到了世界前列。

《超导“小时代”:超导的前世、今生和未来》中提到,1987年3月初,美国物理学会3月会议设立了“高临界温度超导体讨论会”,当时,来自中国、美国、日本的科学家,作为大会特邀报告人,分别报道了各自在高温超导材料探索的结果,世界各地的3000多名物理学家,挤满了1100人容量的报告厅,狂热的会议讨论一直持续了7小时,直到凌晨2点才结束。

目前,构建出新型结构的铁基超导材料,被认为是高温超导甚至室温超导的希望所在,是下一个诺奖的潜力股,也是中国在超导领域的强项,拥有大量优秀的研究人才和丰富的研究经验,已经发现了多个铁基超导体系。

2014年,德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氢中发现190 K超导零电阻现象,发表在《自然》期刊上,正是受到了中国科学家的理论计算启示。

百年超导,今天依然是如此迷人,拥有无限的可能性,才会让鸿儒白丁们都如此感兴趣。

《天空之城》中的“漂浮岛屿”,航行宇宙的太空飞船,永不枯竭的能源和动力,穿越时空的旅行……关于未来世界的想象中,超导是不可或缺的一笔,中国亦然。

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