室温超导：突破极限的角力
■杨旭辰 王捷 解放军报特约记者 张照星
科幻电影《阿凡达》里的室温超导体Unobtanium。资料图片
如果论起2023年度受争议的科技热点，室温超导当属其一。
去年，来自美国和韩国的两个科研团队，分别发表了关于室温超导的论文。他们的发现在世界范围内引起了轩然大波，特别是韩国研究团队公布的LK-99，引发了各国诸多科研机构的复现潮。当然，这两个引爆全球的“新发现”，最终被贴上了“狼来了”的标签。
虽然室温超导这阵风在社交平台上已渐渐平息，但各国相关科研人员的研究并没有止步。最近，国内研究团队也公布了他们这一领域的新的研究进展。据公开报道，中南大学联合华南理工大学、电子科技大学研究团队在约零下24摄氏度的条件下，发现他们制备的材料可能存在超导性。他们的论文，让室温超导再一次引起了关注。
那么，究竟什么是室温超导？为什么室温超导如此难以发现和验证？室温超导将会给我们的生活带来怎样的变化？请看相关解读。
一个似乎遥不可及的梦想
在介绍室温超导之前，我们需要先了解一下什么是超导。
超导，顾名思义就是超级的导电特性。它表现为，在某一临界温度下，导体的电阻突然消失。
20世纪初，随着制冷技术的进步，科学家们开始深入研究温度对物质导电性的影响。1911年，荷兰物理学家昂内斯在将汞冷却至4.2开尔文（相当于零下269摄氏度）时发现，其电阻突然消失，这一重要发现揭开了超导现象研究的序幕。
超导材料具有两个特殊的性能：零电阻效应和完全抗磁性。零电阻效应意味着电流在超导体中传输时几乎不会产生任何热量；而完全抗磁性则说明超导材料具有“金钟罩”，可以完全排斥体内的磁场。如果超导体受到抗磁性产生的排斥力和重力平衡，就可以实现类似科幻电影中的场景，让超导体悬浮在空中，这也是超导磁悬浮的由来。
人们一直梦想着在日常生活环境中实现室温常压超导，即在常温（转变温度大于零摄氏度）和常压（标准大气压）条件下的超导。如果室温常压超导可以成功实现，它将极大地拓展超导技术的应用领域，电力输送、交通运输、医疗设备，甚至是计算机科技等各个领域都将发生翻天覆地的改变，给人类生产生活带来革命性影响。
然而，大多数超导材料在体现超导性时必须处于低温或高压条件下，这严重限制了其实际应用。
目前，大气常压下具有最高超导临界温度的材料是汞钡钙铜氧陶瓷，其临界温度可达到138开尔文（零下135摄氏度）。在高压情况下，富氢化合物LaH10的超导转变温度可以达到252开尔文（零下21摄氏度）。这些都是经过广泛实验验证的材料体系。
实现室温超导一直是科学家们追逐的目标，它被视为物理领域中的一座巅峰。几十年来，无数科学家为此不遗余力地进行探索，绞尽脑汁寻找更高临界温度的超导材料，但收获寥寥可数。尽管陆续有科研团队声称实现了室温超导，但都因没有得到广泛的重复验证而黯然收场。
目前，对于人类来说，室温超导仍是一个似乎遥不可及的梦想。
一条充满艰难险阻的道路
至今，室温超导材料仍然是一个扑朔迷离的领域，其主要原因是缺乏对其理论机制的合理解释。科学家们有点像古代的炼丹师，通过“开炉炼丹”——不断进行实验和验证，寻找适合的材料。然而，不同实验室得到的样品存在的微小差异，却可能导致性能的差异巨大，这也使得一个材料是不是超导这个“非黑即白”的问题，常常难以做出定论。
目前，人们唯一能解释的超导机制是低温超导现象。1957年，巴丁、库珀和史瑞佛3位美国物理学家提出了BCS超导配对理论。随后，美国物理学家麦克米兰根据这一理论推导出超导转变温度不大可能超过40开尔文，被称作“麦克米兰极限”。
随着科研人员的不断探索，许多高于40开尔文的“高温”超导现象被陆续发现，如铜基超导体和铁基超导体。需要指出的是，“高温”这个形容词只是针对以前已知的超导体，它们在接近绝对零度的更低温度下发挥作用，从绝对值来看，这些“高温”仍然远远低于“室温”，因此仍然需要冷却。然而，“高温”超导现象至今仍缺乏合理的理论解释。
另一方面，外加高压以及掺杂化合物等方法，也为“高温”超导研究的推进提供了新的思路，但是上百万大气压的条件也决定了它很难走向实际应用。
2023年7月，韩国研究团队号称发现的常压室温超导材料铜掺杂铅磷灰石，则是基于一个与学界主流观点相悖的“原子间超导带理论”，即利用原子内部的挤压来提供等效的高压环境，从而提高超导临界温度。然而，该项成果还需要进一步验证。
纵观科技发展史，很多伟大的科学发现、技术发明，都是一个漫长且复杂的过程，从实验室研究到产业应用，也需要克服各种困难和挑战。
路漫漫其修远兮，在室温常压超导这条通往物理学巅峰的崎岖山路上，还有更多的未解之谜，等待着我们去求索。
超导技术并非“空中楼阁”
室温超导虽然在短期内很难突破，但“高温”超导技术已经形成了相关的产业——再次提醒，这里的“高温”是一个比“室温”要低得多的温度概念。
与超导技术相关的产业可以大致分为3个部分。上游涉及以稀土元素金属（如镨、镧、钇等）为代表的矿产资源，这些稀土元素在“高温”超导研究和开发中扮演着重要角色。中游是以铋锶钙铜氧和钇钡铜氧为代表的新一代“高温”超导材料，这些材料也是未来室温常压超导技术能否实现突破的关键。下游则包括超导电缆、超导磁悬浮列车、超导磁探测器等“高温”超导应用产品，这些产品直接影响到社会生活、经济乃至军事等各个领域。
超导电缆因其零电阻特性，被认为是最佳的输电材料。即使在复杂和严苛的外部环境下，超导电缆也能保证安全运行，并具有高容量和低损耗等优点，可提供更稳定、高效的电力供应。
“高温”超导技术还将推动交通工具的革新，为我们提供更快捷高效的交通服务。我国自主研发的超导磁悬浮列车设计时速可达到600余公里。如果该技术广泛应用于交通网，从北京到成都的列车时间将缩短至90分钟。
“高温”超导技术在军事领域的发展也将带来深刻的变革。目前，世界各军事强国已竞相展开这方面的研究。在现代战争中，电磁频谱相当于军队的“眼睛”，电磁信息的传输和接收能力在很大程度上决定着战争的成败。面对复杂的电磁环境，采用“高温”超导技术制造的武器装备具有高灵敏度、低噪声和快速响应等优势。例如，“高温”超导天线因其表面电阻极低、损耗低等电路特性而具有出色的传输性质。相比普通天线，它还具有更好的方向性和辐射效率，最远传输距离可以提高数倍。这意味着“高温”超导技术可以帮助军队实现更远距离、更精确的通信和侦察能力，从而提升情报获取和指挥控制的效率。
“高温”超导技术还有更多其他的应用，如基于磁信号的精密测量和超导量子计算机等。因此，“高温”超导也被视为引领“第四次工业革命”技术中的翘楚。
无论是“高温”超导，还是室温超导，人们期待着超导技术能更好地为人类社会服务。对于科学家来说，超导研究是一个充满发现与挑战的领域。追寻超导，将是一场突破极限的角力。
