刷朋友圈看到一篇文章，題目是《人類逼近物理圣杯，-23℃超導(dǎo)》，我嚇了一跳，這可不是個(gè)小事。

德國(guó)馬普所的Eremets等人在氫化鑭體系中實(shí)現(xiàn)了250K也就是零下23攝氏度的超導(dǎo)，這個(gè)遠(yuǎn)超之前世界紀(jì)錄的臨界溫度顯示，光從臨界溫度上來(lái)看，人類馬上就要接近室溫超導(dǎo)了。但是這么高的超導(dǎo)臨界溫度只能在極高的壓強(qiáng)下出現(xiàn)，到底有多高呢？文中說(shuō)是170GPa，也就是1.7乘以十的十一次方帕斯卡，大致相當(dāng)于地球核心壓強(qiáng)的一半兒。

這就沒(méi)意思了。一個(gè)只能在巨大壓強(qiáng)下出現(xiàn)的室溫超導(dǎo)是沒(méi)法應(yīng)用的，因?yàn)楦邏貉b置和低溫裝置一樣，也不是那么容易制造的。德國(guó)科學(xué)家用于制造超高壓的裝置是金剛石對(duì)頂砧，只能用螞蟻屁股那么大的樣品，就連對(duì)其超導(dǎo)性的測(cè)試表征都費(fèi)老鼻子勁了，還談什么應(yīng)用啊。

所以我覺(jué)著，對(duì)于室溫超導(dǎo)這個(gè)物理圣杯的描述還得再細(xì)致一下，最好定義為常壓室溫超導(dǎo)，只能在超高壓下出現(xiàn)的室溫超導(dǎo)雖然也很牛逼，但實(shí)用價(jià)值就要大打折扣了。

既然說(shuō)到這兒了，那就簡(jiǎn)單介紹一下超導(dǎo)的故事。

超導(dǎo)是指材料的電導(dǎo)率非常高，也就是說(shuō)電阻為零，它一般在低溫下才會(huì)出現(xiàn)。

現(xiàn)在廣泛使用的導(dǎo)體，比如我們用來(lái)輸電的電線，都有一定的電阻，電流流過(guò)導(dǎo)體的時(shí)候，都會(huì)有損耗，電能會(huì)變成熱量浪費(fèi)掉。而超導(dǎo)能夠讓遠(yuǎn)距離輸電沒(méi)有損耗，全世界電網(wǎng)都可以連在一起，徹底破解能源分布不均衡的問(wèn)題。超導(dǎo)材料制作成線圈，通上電流之后就可以制造強(qiáng)磁場(chǎng)，用于核磁共振人體健康檢查，還能用于約束等離子體制造可控核聚變。

超導(dǎo)現(xiàn)象自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，就是物理學(xué)界的熱門研究領(lǐng)域。首先是因?yàn)樗碚撘饬x很大，是凝聚態(tài)物理和量子物理交叉的前沿課題，隱含著物質(zhì)結(jié)構(gòu)深層次的物理規(guī)律。其次是它有巨大的實(shí)用價(jià)值。

接下來(lái)我們來(lái)看看超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展歷程。

1911年，科學(xué)家突破了低溫技術(shù)，把氦氣給液化了。握了液氦和低溫技術(shù)的卡末林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)在4K左右，汞的電阻消失了，因此發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。他因此獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1957年，Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理論，解釋了低溫超導(dǎo)現(xiàn)象，因此榮獲1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理論預(yù)言低溫超導(dǎo)體的臨界溫度不能超過(guò)40K，這被稱為麥克米蘭極限。

目前比較實(shí)用的金屬型低溫超導(dǎo)材料是鈮合金，臨界溫度為9K多，-264℃，需要用液氦冷卻，因而維護(hù)成本很高，但好處是金屬材料易于加工，可以容忍很強(qiáng)的磁場(chǎng)。中科院合肥那個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克聚變裝置-EAST巨大的磁體就是用這種材料做的，很多核磁共振用的磁體也是這種。

1986年Bednorz 和 Muller成功合成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鑭鋇銅氧化合物，臨界轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)35K，這種材料的超導(dǎo)機(jī)制與低溫超導(dǎo)完全不同，因而被稱為高溫超導(dǎo)。1987年，他們獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)成果引爆了超導(dǎo)研究的熱潮，因?yàn)檫@個(gè)材料太容易做了，有個(gè)馬弗爐就能燒，把材料中的元素?fù)Q一換就能發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的超導(dǎo)體系。那段時(shí)間，幾乎全世界的材料實(shí)驗(yàn)室都在燒爐子，中國(guó)也很是熱鬧了一陣子。很快美國(guó)華人物理學(xué)家朱經(jīng)武和中科院物理所趙忠賢的團(tuán)隊(duì)將釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)的臨界轉(zhuǎn)變溫度提升到100K以上，77K的液氮溫區(qū)被突破了，從此人們可以用液氮來(lái)制造超導(dǎo)了。液氮可比液氦便宜多了，超導(dǎo)的維護(hù)成本大幅下降。但是因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)材料都是陶瓷，不容易加工成復(fù)雜的形狀，液氮用起來(lái)也很麻煩。

目前，用高溫超導(dǎo)材料做電纜仍然存在一定困難，長(zhǎng)度短一點(diǎn)還行，長(zhǎng)了就有問(wèn)題。另外，它在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)失去超導(dǎo)性，因而也沒(méi)法做強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體。但是在一些磁場(chǎng)較弱的場(chǎng)景中還是有很多應(yīng)用，比如微波電子器件等等。

隨后，提高臨界溫度的努力一直在繼續(xù)，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K，鈦鋇鈣銅氧系達(dá)到了138K。下一個(gè)目標(biāo)將是195K，這是干冰的升華點(diǎn)，如果超導(dǎo)材料的臨界溫度能超過(guò)這個(gè)點(diǎn)，那以后就可以用更加便宜的干冰制冷來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)了。

高溫超導(dǎo)的理論解釋到現(xiàn)在都沒(méi)有徹底完成，Ginsburg和Landau給出了一個(gè)階段性的成果，并因此獲得了2003年諾貝爾獎(jiǎng)。

這中間有段時(shí)間超導(dǎo)研究陷入低谷，理論遲遲沒(méi)有突破，也沒(méi)有新的材料體系出現(xiàn)。只有2001年，日本科學(xué)家報(bào)道了二硼化鎂這種簡(jiǎn)單的材料在39K，非常接近低溫超導(dǎo)麥克米蘭極限的地方實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)。

2008年超導(dǎo)又火了一把，這把火是日本人點(diǎn)的，卻是中國(guó)人燒旺的，就是鐵基超導(dǎo)體。2008年日本Hosono小組報(bào)道了層狀結(jié)構(gòu)LaFeAsO體系26K的超導(dǎo)電性，中國(guó)科學(xué)家迅速反應(yīng)，久違的爐子又燒了起來(lái)。趙忠賢、王楠林、陳仙輝等合成了一系列鐵基化合物，其超導(dǎo)臨界溫度突破了麥克米蘭極限，達(dá)到55K，說(shuō)明這個(gè)體系是一類高溫超導(dǎo)體。這個(gè)成果獲得了2013年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，曾經(jīng)被認(rèn)為有沖擊諾貝爾獎(jiǎng)的可能。

此外還有一些有意思的超導(dǎo)材料體系，比如摻雜金屬原子的富勒烯或者使用了放射性元素的重費(fèi)米子超導(dǎo)體，這些體系臨界溫度不高，就不展開說(shuō)了。

與此同時(shí)，在材料體系的創(chuàng)新上陷入困境以后，研究者將目光投向了另一個(gè)環(huán)境變量，壓強(qiáng)。很早人們就發(fā)現(xiàn)，提高壓強(qiáng)可以提高超導(dǎo)材料的臨界溫度。朱經(jīng)武在高壓下把汞鋇鈣銅氧系的臨界溫度提高到了164K，是當(dāng)時(shí)的最高紀(jì)錄。2014年吉林大學(xué)崔田教授通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)在200 GPa高壓下，硫化氫的超導(dǎo)臨界溫度在191K 至 204K 之間。這個(gè)結(jié)果迅速吸引了國(guó)際超導(dǎo)研究者的矚目。年底，德國(guó)馬普所的Eremets通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)預(yù)測(cè)，他們獲得了臨界溫度為190K的硫化氫，一年后，臨界溫度被提高到了203K，干冰溫區(qū)突破了。當(dāng)然，前面說(shuō)了，這個(gè)結(jié)果是在高壓下產(chǎn)生的，實(shí)用價(jià)值不大，但還是非常振奮人心。

另一個(gè)被預(yù)言具有神奇超導(dǎo)性的材料是金屬氫。理論預(yù)測(cè)氫氣在極高的壓強(qiáng)下可能變成類似金屬的導(dǎo)體，也就是金屬氫，它除了是一種高能炸藥之外，還極有可能是一種室溫超導(dǎo)體。這就是為什么人們對(duì)它趨之若鶩的原因。2017年，Science雜志報(bào)道哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功制造出金屬氫，造成很大轟動(dòng)。然而一個(gè)月后他們宣稱，由于操作失誤，這塊地球上唯一的金屬氫樣本消失了。而且他們?cè)僖矝](méi)有重復(fù)出之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，別人也沒(méi)能重復(fù)出來(lái)。

2018年，MIT麻省理工學(xué)院博士，21歲的曹原一天之內(nèi)在NATURE雜志上連續(xù)發(fā)表兩篇文章，論述了雙層石墨烯在重疊角度為1.1°時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。雖然其臨界溫度只有1.7K，但這是首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)行為與結(jié)構(gòu)如此特別的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)開辟了超導(dǎo)物理乃至凝聚態(tài)物理研究的新方向，無(wú)數(shù)學(xué)者正在跟進(jìn)。這個(gè)成果是2018年十大科研進(jìn)展之一。

2018年的7月末，論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上出現(xiàn)了一篇石破天驚的文章，題目翻譯成中文是《室溫和常壓下超導(dǎo)體存在的證據(jù)》，作者是印度科學(xué)院Pandey教授。一看這文章名字，這才是堪稱物理圣杯的成果??！文章描述了一種金銀復(fù)合納米粒子在230~240K時(shí)產(chǎn)生了超導(dǎo)電性，同時(shí)說(shuō)，如果材料更純，制備更仔細(xì)一點(diǎn)，臨界溫度可以達(dá)到室溫。這篇文章引起了巨大的反響，但同時(shí)也受到了不少質(zhì)疑，有人發(fā)現(xiàn)文章配圖中兩條不同的曲線出現(xiàn)了同樣的誤差規(guī)律，這表示存在很大的偽造數(shù)據(jù)的可能。我把新聞發(fā)給一位做納米材料的教授，詢問(wèn)他的看法，人家表示印度人的文章還是先打個(gè)問(wèn)號(hào)。當(dāng)然這一切還沒(méi)有定論，文章投了NATURE，截至目前，尚未通過(guò)審核。

最后就是今天看到的這個(gè)成果了，德國(guó)馬普所的Eremets等人再接再厲，在氫化鑭體系中實(shí)現(xiàn)了250K的臨界溫度，但是同時(shí)需要極高的壓強(qiáng)。

可見，科學(xué)家們一直沒(méi)有放棄突破室溫超導(dǎo)的努力。如果能夠在常壓室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，那就會(huì)徹底改變?nèi)祟惖奈磥?lái)。我們將擁有全球聯(lián)網(wǎng)無(wú)損耗的電網(wǎng)系統(tǒng)，有小巧的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)，更加便宜方便的核磁共振診療服務(wù)，還有可能更快實(shí)現(xiàn)可控核聚變能源應(yīng)用。

這才是所謂的物理圣杯——室溫超導(dǎo)，也許我們真的會(huì)有看到它實(shí)現(xiàn)的那一天。

（這里得說(shuō)一個(gè)梗，在超導(dǎo)界，室溫比高溫的溫度要高。）