陳仙輝，中國科學院院士，深耕超導領域30余年。長期以來他一直堅持新型非常規超導體的探索及超導和強關聯物理的研究，在非常規超導體和功能材料的探索及其物理研究方面，取得了一系列有國際影響力的重要成果，發現了鐵基超導體、有機超導體等一系列新型超導體，取得了系統性和創新性成果，是國際上該領域有重要影響的科學家之一。

在電影《阿凡達》中，那一座又一座懸浮在云端的哈利路亞山，讓人驚嘆不已，究竟是什么神秘的力量能夠懸空“托起”這一座座大山呢？是因為山中蘊藏著一種神奇的室溫超導礦石，它借助強大磁場懸空托起了哈利路亞山。那么，究竟什么是超導材料？它為何擁有如此強大的磁懸浮力量？

超導有哪些特性

超導是一種特殊的物理現象。普通的導體可以導電，但是因為有電阻存在，所以會發熱，電流損耗比較大。然而，科學家發現，在極低的溫度下，普通導體的電阻竟然會離奇消失，導電時不僅沒有損耗，還擁有了一系列不可思議的特性，變成了一種神奇的材料——超導體。那么超導是怎么被發現的呢？它有哪些令人驚嘆的特性呢？

1896年科學家詹姆斯·杜瓦液化了空氣，空氣的液化主要就是氮氣的液化，氮從氣態變成液態以后就達到了77K（開氏溫度，即熱力學溫度），開氏溫度（K）=攝氏度（C）+ 273.15，77K接近于零下200攝氏度。在零下200攝氏度一個物質狀態如何，這是我們一直想知道的。杜瓦把溫度降到77K以后，他測量了水銀的電阻，但是非常遺憾，他并沒有看到電阻趨近于0，而是有一個有限值。13年以后荷蘭科學家卡默林·昂尼斯實現了最后一個氣體的液化，也就是氦氣，氦氣的液化溫度達到4.2K。非常神奇，在接近4.2K的時候，汞也就是水銀的電阻突然消失了。卡默林·昂尼斯敏銳地感覺到這是進入了一個新的物理狀態，而這個物理狀態他就把它稱作為超導態，這就有了超導的概念。

安德森和羅尼爾在1962年用超導體做了一個線圈通以電流，然后把電源切斷，電流持續地在里面運行。然后測量它周圍產生的磁場，發現它的電流沒有任何衰減。這就證明超導電阻是零，這是超導的第一個特性。超導還有另外一個特性就是完全抗磁性。1933年兩個科學家——邁斯納和奧切森菲爾德在研究一個超導體錫（超導溫度3.7K的超導體）的時候，發現它在磁場里面是不被穿透的。在超導體發現之前，人們對磁場的認識就是任何物體，包括人體在內的生命體都能被磁場穿透，但是超導體處在超導態的時候，它里面的磁感應強度始終為0。磁場是不穿透超導體的，這是它的第二個特性。從科學意義上來講，完全抗磁性比零電阻對于超導體來講，是更基本的一個物理性質。

超導還有另外一個神奇的性質，就是磁通量子化。超導體的磁通量子化是實現磁懸浮的基礎之一。這究竟是一種什么神奇的特性呢？簡單來說，雖然超導體有完全抗磁性，但是，當超導體存在雜質等缺陷，而外界磁場大到一定程度時，少量磁場就會進入超導內部，出現并被固定在缺陷附近，像被釘子釘住一樣，這被稱為“磁通釘扎”。在這種狀態下，超導體就能與外界磁場形成一種穩定相互作用，懸浮起來。“釘扎效應”在超導磁懸浮的設計和應用中起到重要作用。通過控制外部磁場的強度和超導材料的特性，就可以使得超導磁懸浮具有很好的穩定性和抗擾動能力，從而實現更高性能和更可靠的磁懸浮系統。

超導里面有兩個關鍵的因素，第一個就是要發生超導，需要兩個電子形成一對庫珀對；第二個就是庫珀對之間要發生相干。1992年李政道和著名漫畫家華君武有一次對話，華君武問李政道，你們講的超導是怎么回事？李政道講，超導就是要配對，還要相干。然后華君武就畫了一幅畫。兩個蜜蜂配對以后，就在天上飛，而單個的蜜蜂就在碳60球上爬，因為它不超導，不超流（沒有超導電流），但是相干怎么表現？兩個蜜蜂的翅膀的朝向完全一樣，表現它的相位相同，來實現相干。華君武還寫了一句話：“雙結生翅成超導，單行苦奔遇阻力。”準確地描繪了超導的這樣一幅場景。

超導材料都有哪些神奇的應用

1度電，能讓燒水壺連續工作1小時，能讓音響連續工作30小時。城市中每1度電的傳輸都離不開電纜。但電纜有電阻，電力在傳輸過程中損耗非常大，損耗率在5%—10%之間，傳輸距離的增加，還會使損耗率增加。而隨著史上最強35千伏超導電纜的橫空出世，電力線路損耗的難題終于得到解決，在“超導技術”的加持下，它可以實現幾乎零電阻。相比傳統輸電方式，在滿負荷運行的情況下，它能夠以35千伏“小”電纜，成功輸送2160.12安培的電流，達到220千伏“大”電纜的輸送能力，大幅減少高電壓等級變電站建設所需空間。超導材料還有哪些神奇的應用？

當今社會發展的三大關鍵技術就是能源技術、信息技術和生物技術，而超導材料跨界能源和信息兩個技術，這就奠定了它廣泛的應用前景。超導肯定是一個要取代現有輸電技術的戰略性技術。超導有兩種應用：一種是強電應用，一種是弱電應用。強電應用第一和能源有關，第二和交通有關，第三和生物醫學有關。還有一個弱電應用，就是超導量子干涉器或者干涉儀，量子比特、量子計算等等。總之超導是可以在能源和信息等領域帶來深刻變革的一個戰略性的科學技術。

目前正在應用的超導材料分為高溫超導和低溫超導兩類，都要處于極低的溫度才能實現超導，臨界溫度為25K—30K，也就是零下248攝氏度至零下243攝氏度，低于這個溫度的超導體為低溫超導，高于這個溫度的超導體為高溫超導。低溫超導對低溫的要求更高，一般需要在昂貴的液氦環境中工作，雖然已經應用于許多領域，包括磁共振成像、粒子加速器、磁懸浮列車等，但昂貴的制冷劑限制了應用范圍。相比之下，高溫超導只需要在低價的液氮中，因此應用空間更加廣闊。

室溫超導技術會給世界帶來哪些驚喜

如果盤點2023年科技領域引發全球吃瓜的大事，室溫超導應該榜上有名。室溫超導這把火是由美國科學家迪亞斯燒起來的，2023年3月8日，美國科學家迪亞斯在美國物理學大會上宣布，在1萬個大氣壓（1Gpa）下實現了室溫超導，語驚四座。要知道，最近5年科學家們研究超導材料，都是在200多萬個大氣壓以上（200GPa）條件下進行的，這相當于地球核心承受的壓力，難度可想而知。所以，當迪亞斯團隊宣稱把壓力降低至不到原來的1/200之后，引爆了全球科技界！一波未平一波又起，2023年7月22日，韓國室溫超導團隊連續發表了2篇論文，聲稱“首次”發現了室溫常壓超導材料LK-99，再度在全球掀起超導旋風。但僅僅過了3個多月，事件出現反轉。11月，《自然》雜志撤掉了迪亞斯的“室溫超導”論文，緊接著，韓國團隊的驚天發現最終也無法被證實。熱鬧了大半年的室溫超導大戲暫時告一段落。為什么全球科學家會對室溫超導這么關注？室溫超導技術又會給世界帶來哪些驚喜？

之所以說“室溫超導”是一項突破性的技術進展，是因為它與傳統的超導現象有著很大的不同。傳統的超導材料只有在極低的溫度下才會表現出超導現象，這使得其應用范圍受到了很大的限制。例如，銅氧化物超導體只有在零下135攝氏度左右，才能實現其超導特性，用液氮冷卻（液氮的溫度是零下196攝氏度），可達到超導特性所需的溫度，目前其廣泛應用還需大量研究。因此，傳統的超導材料在使用時，需要特殊制冷設備支持。而室溫超導則意味著，在室溫下，也就是20到30攝氏度，就可以實現超導，無需特殊的制冷系統。室溫超導技術如果能實現，將在提高能源利用效率、加速交通運輸、實現更高的計算速度等方面帶來前所未有的顛覆性突破。

室溫超導體會不會被發現？我的看法是，到目前為止，沒有任何物理的理論能說明室溫超導不可能實現，這是第一點。第二點實際上超導是一個宏觀量子效應，它會有一個能量尺度，但是在宏觀量子效應里面，在實現室溫下觀察宏觀量子效應有沒有先例？有！在石墨烯上我們看到了整數量子霍爾效應這樣一個宏觀量子效應，從這個角度來講，室溫并不是無法實現超導的。另外，從材料的角度來講，銅基超導已經實現了135K（零下138.15攝氏度）這樣一個溫度，如果從能量尺度來講也就是翻一倍，到270K（零下3.15攝氏度），我覺得從能量尺度來講也是可能的。但是我們還是要腳踏實地認真探索，有很多技術上的挑戰要一步一步做。超導技術為什么比我們想象的應用場景要少，沒有發揮那么大的作用？是由于它有很多的支撐技術、冷卻技術、力學技術等成本問題。如果上升到室溫超導，制冷的這個問題就不用考慮了，這樣的話，它的應用場景肯定就多了。室溫超導不用冷卻，成本可以大大地降低，在很多場景都能應用。超導既是能源技術，也是信息技術，在材料領域能發揮巨大的作用。

超導研究從科學角度來講有三大任務：一是包括銅氧和鐵基高溫超導體的非常規超導的微觀機理的解釋；二是要探索適用于應用或者高臨界溫度甚至是室溫的超導體；三是超導體的廣泛應用。比如超導計算機量子計算、超導芯片、強電、強磁場的應用，超導領域的科學家普遍認為這些挑戰的解決，都是諾貝爾獎級的工作，關鍵還是新超導體材料的發現。人類的文明是可以用材料來劃分的，遠古時期是石器時期，然后是青銅器時期，晶體管誕生以后，現在硅支撐起了信息技術。從這個角度來講，室溫超導體可能是推動下一次技術變革的一個有力的候選材料。這就是為什么有關室溫超導的信息極大地引起社會關注的原因所在，室溫超導體可以作為能源信息材料在科學研究、信息計算、通信、生物醫學、電力、交通、能源等領域廣泛應用，被認為是能夠支撐下一代人類文明的關鍵材料。室溫超導體的發現和可控核聚變的實現將會永久性地解決人類面臨的能源問題。

超導研究的展望

超導研究的一個展望是突破半導體的技術瓶頸。半導體技術發展到現在，集成電路已進入亞10納米技術，但實際上半導體技術里面有幾個瓶頸：一是計算機的速度瓶頸，二是功耗瓶頸，三是制造瓶頸。現在大家聽到的、看到的主要是制造瓶頸。比如說荷蘭阿斯麥公司的光刻機問題，因為我們沒有光源，這是制造瓶頸。實際上還有另外一個很大的瓶頸，就是功耗的瓶頸，因為功耗太大，超級計算機應用的電費太高、成本太高。從可持續發展的角度來講，功耗是限制超級計算機可持續發展的一個重要瓶頸。如何來解決功耗問題，是半導體工業必須解決的問題。國內現在所有的大數據中心基本上都放在西北，那邊有兩個優勢：一是平均溫度，西北一年的平均溫度比東部和南部要低很多；二是西北能源的價格比發達地區要低很多，這是一個很大的優勢。能耗包括兩部分，計算機芯片本身在運行過程中的損耗會產生熱，怎么把熱排出去，散熱是一個很大的問題。大家知道，臺式計算機只有一個小風扇，如果這個小風扇壞掉了，那機器就沒法運行了，這就是環境溫度、工作溫度的問題。如果用超導的話，它本身功耗小了，散熱可能也就便利了，或者說成本也就低了。現在我們講人工智能和ChatGPT，就是利用機器學習，大量地在使用運算大功率、高速的超級計算機，但功耗很大。我們就渴望有一種技術能夠克服或者改善，超導在這方面肯定是一個選擇。超導集成電路具有顯著的速度、功耗、制造和生態優勢。實際上在這方面超導數字計算機已經開始嘗試，比如美國的泰坦號。超導集成電路是后摩爾信息技術的一個重要方向，未來的能源工業、電力傳輸、交通、醫療等領域都會因超導技術的應用發生翻天覆地的變化。我們期待室溫超導的實現，推動人類文明的發展。

（原標題：神奇的超導體，奇在哪里）