審核專家：羅會仟

中國科學院物理研究所研究員、科普作家

3月8日，美國羅切斯特大學表示，該校研究人員研發出一種在室溫和相對較低壓力條件下表現出超導性的材料：一種三元金屬氫化物（鑥-氫-氮），能在21℃、1GPa（1萬個大氣壓）下實現超導。這被認為是一項歷史性突破，但這一研究成果能否得到認可，還有待於後續其他研究組的重複驗證。

1911年，荷蘭物理學家昂納斯發現水銀在4.2K（熱力學溫標中0K對應著-273.15℃，4.2K為-268.8℃）以下時電阻突然消失，這種現象被稱為超導。

自從超導發現以來，人們對它的探索腳步從未停歇，對超導應用的研究熱情也越來越高漲。它到底是什麼，又有什麼作用呢？

材料都能導電嗎？什麼是超導？

按照材料的電阻率隨溫度變化行為不同，可以分為絕緣體、半導體和導體。

絕緣體：電絕緣體通常情況下幾乎不能傳導電荷，電阻隨溫度下降而急劇上升。常見絕緣體有玻璃、橡皮、石蠟、塑料等。

半導體：導電性能介於金屬和絕緣體之間的物質，在低溫下電阻隨溫度下降而上升。一般是固體，如鍺、矽及某些化合物等。

導體：能很好傳導電流的物體。導體中存在大量可以自由移動的帶電粒子，它們在外電場作用下就會發生定向漂移，形成電流。常見導體有金屬、石墨、電解液等。

超導材料則是在一定的低溫條件下，電阻完全為零及具有完全抗磁性（排斥磁力線）的材料。

1911年，在金屬汞中發現超導現象之後，科學家們開始研究其他金屬或合金在低溫下是否也具有超導性。經過研究發現，除了一些磁性金屬如Mn、Co、Ni，鹼金屬如Na、K、Rb，部分磁性很強的稀土元素，以及惰性氣體和重元素等之外，超導現象在大部分金屬中都存在。一些材料在常壓和低溫下即可超導，一些非金屬則需要在高壓和低溫下才有超導特性。

大部分金屬在室溫下的電阻率非常小但不為零，在10-8Ω ∙ m量級附近（Ω.m的含義為：單位橫截面積為1m2、單位長度1m材料的電阻值），金屬的電阻一般隨著溫度降低而減小。而超導體的電阻率至少在在10-18Ω ∙ m量級以下，整整低了10個數量級。由此可見，超導材料確實可以認為是存在絕對零電阻。

進入超導態的材料稱為超導體，有以下幾個特徵：

1.超導體具有絕對零電阻。溫度下降到某臨界溫度時，超導材料的電阻為零，是無損耗的導電材料。

2.超導體具有完全抗磁性。此時磁力線會被完全排斥到超導體之外，超導體內的磁感應強度亦為零。

3.超導材料只有滿足小於臨界溫度、臨界磁場、臨界電流強度等條件，才可以穩定處於超導狀態，突破其中任何一個臨界參數，絕對零電阻或完全抗磁性就會消失。

超導材料的發展

從超導現象發現至今，各種超導材料不斷被發現，包括單質金屬、合金、過渡金屬氧化物/硫族化物/磷族化物等，甚至部分有機材料也具有超導特性。但這些材料實現超導的前提條件是需要較低的溫度或超高壓力。這意味著「超導」大部分情況下只能在實驗室里實現，很難在普通生活和生產中應用。因此，提升超導材料的Tc（臨界溫度）一直是科學家們的研究方向。

1986 年以前，Tc最高的化合物是鈮三鍺（Nb3Ge），Tc = 23.2K。這樣的低溫環境一般需要液氦來維持，費用昂貴。當時基於金屬合金的傳統超導理論甚至指出，超導的臨界溫度上限為40K。為了尋求突破，全球科學家們都開始在不同材料和環境中進行探索，希望提升超導材料的臨界溫度。

相對於常規的金屬和合金超導體（一般稱為傳統超導體），銅氧化物和鐵砷/鐵硒化物超導體具有較高的超導臨界溫度（它們部分體系的Tc可以突破40K），因此被稱為高溫超導體。在其他一些金屬氧化物中如鈦氧化物、鈮氧化物、鉍氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等材料中也同樣發現了超導電性，但這些超導體的Tc 均無法超越40K，因此它們並不被稱為高溫超導體。

在2015年以前，超導材料最高Tc記錄仍由銅氧化物所保持，約為常壓下134K，高壓下165K。2015年，德國的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布發現硫氫化物可以在高壓下實現202K的超導，點燃了人們尋找室溫超導體的希望。

2020年10月，美國羅徹斯特大學蘭加·迪亞斯團隊宣稱在碳-硫-氫三元化合物中實現了室溫超導，其壓力為267GPa，Tc為288K（即相當於15 ℃）。然而相關數據結果受到業內的廣泛質疑，該論文最終於2022年9月被Nature期刊撤稿。

2023年3月8日—9日，同樣是美國羅切斯特大學的迪亞斯團隊宣布發現「近常壓室溫超導」材料，一種由鑥-氮-氫（Lu-N-H）構成的三元化合物，在1萬個大氣壓下（即10 kbar），超導Tc為294 K（相當於21°C）。該發現引起了科學界和全社會的轟動，但相關專業領域的科學家對此仍保留懷疑態度。室溫超導是否真的實現，尚待更多的科學實驗重複和驗證。

超導的應用

儘管真正實現「室溫超導」還需要科學家們繼續探索，然而超導材料的應用已經非常廣泛，如醫療設備、電力能源、交通運輸、機械工程、高能物理、電子通信等領域。

超導體可以製成超導輸電線。常規輸電線的電阻會造成約10-15%的電流損耗。超導輸電線在一定條件下電阻為零，也無需變電所等設施，可將損耗降低到1%及以下。其製作的通信電纜和天線，性能也優於常規材料。

超導材料還能製作各種用途的超導磁體。超導磁體的優勢是可以實現常規導體材料無法實現的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度。

現代核磁共振成像（MRI）就是利用超導磁體工作的，目前被廣泛地應用於醫療檢測，是最為精確的醫學檢測手段之一。

超導可控核聚變裝置，俗稱「人造小太陽」，就是利用強大的超導體約束氘-氚等在極高溫下的核聚變，是未來能源危機的解決方案之一。

由超導線圈製作的磁懸浮構件，可以產生比傳統磁懸浮構件大得多的懸浮力。因為在導體截面相同時，超導體製作的導線可以比傳統導線承載高出幾十倍的電流，產生的磁力也更大。且超導線圈因為無電阻不會產生能量損耗，更加節能環保。

超導磁體還可應用於電機、高能粒子加速器、受控熱核反應、儲能等；利用其完全抗磁性還可製作無摩擦的陀螺儀和軸承。不僅如此，在弱電方面，超導體還可以用於量子計算、微波通訊、單光子探測、太赫茲探測等多個領域。

超導材料的優異特性使它從被發現之日起，就向人類展示了寬廣的應用前景。它的優良特性不僅能夠大幅改變社會生產模式，更能在這個能源緊缺的時代，實現節能環保的重要目標。隨著科學家們的持續探索，未來它一定能夠為人類發展帶來深刻重大的影響。

本文綜合自：北京日報客戶端、機械工程材料微信公眾號、齊魯工業大學材料科學與工程學部微信公眾號、人民資訊、中新經緯、光明網

參考文獻：

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