人类“实现”室温超导，你怎么看？

　　白二娃

　　什么是超导

　　最近韩国的室温常压超导将室温超导再次推上了热门。但南京大学超导物理和材料研究中心闻海虎主任表示，从论文中显示的数据以及视频中呈现的磁悬浮姿态来分析，韩国团队的材料是常压室温超导材料的可能性非常小。面对层出不穷的超导新闻，我们该掌握一些超导的基础知识，下次再看到超导的新闻时能更有底气地评论起来。

　　科学家很早就知道随着温度的降低导体的电阻会下降。1911 年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯利用液氦将汞冷却到4.2K（-268.95℃）以下，测量到其电阻突然降为零，这是人类首次发现超导现象，昂内斯因此获得1913 年诺贝尔物理学奖。

　　所谓超导指的是超级导电，昂内斯时代由于仪器精度的问题，无法测得其电阻，所以认为超导体的电阻几乎为零。现在人们已经测得超导体的电阻率低于10-25Ω·m，而金银这类导电性极好的金属室温电阻率一般为10-8Ω·m，两者相差十多个数量级。假设在超导环内放入1A 的电流，那么这个几乎为零的电阻需要1000亿年才能将这点电流消耗干净。

　　1933 年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——超导体内的磁感应强度为零，能把周围的磁场排挤出去，宏观表现就是超导体能够悬浮在磁铁之上。由于电阻跳变不容易观测，这种磁悬浮的“迈斯纳效应”就成了分辨超导体的主要特征。

　　超导有什么用

　　当代社会可以说是建立在电的基础之上，利用超导材料的零电阻特性，可以用来输电、制造大型磁体用于研发可控核聚变、制造量子计算机；利用迈斯纳效应可以制造磁悬浮列车和高性能电机。

　　但是，大众在这有一个常见的误解，其实超导体能够承载的电流并不是无限大的，超导体有三个关键临界参数：临界温度、临界磁场、临界电流密度。这三者都满足条件时，超导体才能稳定存在。

　　尽管超导现象已经被广泛研究，目前科学家手中的铜氧化物超导体需要在液氮温区（-196.15℃）中起效，如果能找到干冰温区（-78.15℃）的超导材料，超导的应用就可以大面积推广了。实现室温超导则被不少科学家认为是永远无法成功的巨大挑战。

　　目前超导落地的应用并不多，有将金属铌蚀刻成纳米线阵列制成的超导铌单光子探测器，即使只有一个光子进入阵列，也足以导致超导临界电流密度迅速减小，破坏系统的超导状态，让系统中出现电阻信号。

　　还有利用超导体薄膜和铁磁体组成的超导二极管，这种二极管中电流只能在一个方向上流动而且没有电阻，这将用于制造不会发热的CPU。

　　高温超导和室温超导

　　昂内斯发现超导现象并非偶然，正是他在1908 年发明了氦气液化的方法，这是人类最后液化的一种常见气体。

　　液氦（-268.785℃）、液氢（-253.15℃）、液氮（-196.15℃）、干冰（-78.15℃）这些冷却剂获取难度依次降低。为了使超导具有实用性，探索高温超导就是必然选择。低温超导需要使用液氦或液氢来维持-200℃左右的低温。高温超导需要在-196℃的液氮温区到室温之间实现超导。毕竟液氮成本较低，实际应用前景广阔。目前温度最高的氢基超导体在上百万个大气压的高压下能在-13.15℃下实现超导了。

　　高温超导的最新研究成果是今年7 月，中山大学在液氮温区发现的镍氧化物超导体（14GPa 压力，-193.15℃）。这是继铜氧化物超导体之后人类发现的第二种液氮温区的高温超导体系。这是一种全新的非常规超导材料，尚无法用目前已有的超导理论解释其出现的原因。

　　为什么会发生超导

　　BCS 理论（巴丁- 库珀- 施里弗理论）是已经被实验证实的主流超导理论，但这一理论尚无法解释高温超导体系出现的原因。

　　导线通电时，电子会在导线中做缓慢的移动，铜导线在1A 电流下电子的运动速度仅7.4×10-5m/s。这是因为带负电荷的电子在导线中会不断与带正电的原子撞车，这就是电阻的本质。

　　当降低温度达到超导临界温度时，超导体会突然变成一种整齐的晶格结构，此时原子都被冻在了晶格的节点上，不再干扰电子的运动。电子运动的路径从人潮汹涌的小巷变成了宽敞的高速路。还有一些超导材料可以用高压将原子压在晶格节点上，这就是能用高压代替低温实现超导的原理。

　　而BCS 理论中对低温状态下的电子还有更多解释，低温下两个自旋相反的电子会手拉手形成库珀对（Cooper pairs），这种相互作用使得两个电子成了对方的翅膀，能够在晶格中一起无阻力地移动，从而实现超导。但是BCS 理论无法解释铜氧化物和镍氧化物为什么能够在液氮温区实现超导，因此有些实验物理学家，不去管理论物理的量子场论、超流理论和拓扑超导等各种超导理论，而是寄希望于通过测试大量样本去试出新的高温超导体。

　　面对室温超导的新闻，要记住目前超导研究向室温区前进的脚步非常缓慢，记住arXiv 预印本网站就是个论文的贴吧，这里的论文内容真实性都需要等待验证。

　　截至发稿时，韩国室温超导团队表示论文存在缺陷，系一名成员擅自发布，已要求下架。

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