1987年3月19日，一則科學新聞罕見地登上了全世界報刊的頭版頭條。

這條新聞與超導(dǎo)領(lǐng)域的一項重大突破有關(guān)。超導(dǎo)體是一種能夠零電阻傳輸電力的材料。一旦研制出一種實用的超導(dǎo)體，必將在能源的儲存和運輸方面引發(fā)一場革命，而這正是身處全球氣候變暖時代的我們夢寐以求的。

美國布魯克海文國家實驗室在高壓下制造常溫超導(dǎo)體。

33年過去了，這場革命仍在期待之中。不過，最近又有了進展。我們已經(jīng)制造出一種接近室溫條件下工作的超導(dǎo)體。而且，過去尋找高溫超導(dǎo)材料（實際是常溫超導(dǎo)材料），我們一直靠瞎摸瞎撞;而現(xiàn)在，理論和實驗正在結(jié)合，為這一領(lǐng)域開辟新的途徑。

低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)

說起超導(dǎo)，這是一個很長的故事。這里我們只能長話短說。

1911年，荷蘭物理學家?？恕ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)，水銀在4.2K下突然完全失去電阻。由此，他提出“超導(dǎo)”這一概念。一種材料變成超導(dǎo)體的溫度，被稱為“轉(zhuǎn)變溫度”。第二年，錫和鉛也被發(fā)現(xiàn)能變成超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度分別為3.8K和7.2K。隨后其他金屬，通常是鈮錫等合金，也被發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性。

這些材料被稱為低溫超導(dǎo)體或傳統(tǒng)超導(dǎo)體，因為它們只能在極低溫度下工作。1950年代，三位物理學家發(fā)展了第一個超導(dǎo)理論——BCS理論，向我們揭示了低溫超導(dǎo)的原理：金屬中的電子可以兩兩配對，利用量子特性繞開晶格中的正電荷，實現(xiàn)無損耗移動。但這種配對在較高溫度下會被破壞，這就是超導(dǎo)只有在低溫下才能實現(xiàn)的原因。至少直到最近，傳統(tǒng)超導(dǎo)體最高只能在40K左右的溫度下工作。這意味著它們必須使用昂貴的液氦（4.2K左右）進行冷卻。

1987年讓世界如此興奮的是科學家發(fā)現(xiàn)了溫度100K以上的超導(dǎo)材料。這是一個巨大的飛躍，因為它們只需用相對容易獲得的液氮（77K左右）冷卻。這被稱為高溫超導(dǎo)體。第一批高溫超導(dǎo)材料是銅氧化物。到1993年，科學家已將最高的超導(dǎo)溫度推進到133K，朝室溫293K（相當于20℃）邁進了一大步。

然而，令人沮喪的是，高溫超導(dǎo)此后很長時間再也裹足不前了。一個重要原因是，科學家無法從理論上解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，缺乏理論指導(dǎo)，他們只能瞎摸瞎撞。

高溫超導(dǎo)體在實際應(yīng)用上也是個問題。銅氧化物超導(dǎo)體像很脆的陶瓷材料，你無法把它們拉成細線。它們的制造成本很高，稍有雜質(zhì)污染即失效。

低溫超導(dǎo)體需要極低的溫度，高溫超導(dǎo)體無法拉成導(dǎo)線，這就極大地限制了它們的應(yīng)用。不過即便這樣，由于超導(dǎo)體那無可替代的優(yōu)越性，它們已經(jīng)在局部領(lǐng)域大顯身手。譬如，歐洲核子中心大型強子對撞機上引導(dǎo)粒子的強磁場以及醫(yī)院核磁共振掃描儀使用的強磁場，都是由超導(dǎo)體提供的。它們通常是鈮錫合金，用液氦冷卻到4K或更低。

兩項新的突破

最近一些年，冷寂已久的超導(dǎo)體研究又迎來了新的突破。一個是石墨烯超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。石墨烯是單個原子厚度的碳膜。將兩片石墨烯放在一起并稍加扭曲，就會使其成為超導(dǎo)體。石墨烯超導(dǎo)體雖然只能在1.7K溫度下工作，但至關(guān)重要的是，它似乎與銅氧化物的高溫超導(dǎo)遵循同樣的原理。這意味著，搞清楚石墨烯的超導(dǎo)機制，有助于理解高溫超導(dǎo)是怎么實現(xiàn)的。

2020年底，另一項成果引起人們極大的興趣。說起來，這又是一個長故事。早在1968年，美國物理學家尼爾·阿什克羅夫特證明，如果把氫變成固態(tài)的金屬氫，它里面的電子就會兩兩配對，在室溫條件下實現(xiàn)超導(dǎo)。但氫氣需要在上百萬大氣壓的超高壓下才能變成金屬氫，而這一點在實驗室并不容易實現(xiàn)。此后，阿什克羅夫特繼續(xù)研究，并在2004年從理論上證明，在極端高壓條件下，即使不是純的氫，只是氫化物，在室溫也能實現(xiàn)超導(dǎo)。

歐洲大型強子對撞機上引導(dǎo)粒子的超導(dǎo)磁鐵

受阿什克羅夫特工作的啟發(fā)，20 0 6年，英國劍橋大學的材料科學家開發(fā)了一個軟件，可以讓人通過計算來探索一種固體材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析其電子在特定溫度下的表現(xiàn)，從而確定其成為超導(dǎo)體的潛質(zhì)。由于計算比做實驗更快，成本更低，這就為科學家提供了有力的指導(dǎo)。

高壓下的高溫超導(dǎo)

受到該軟件的啟發(fā)，2015年，一位德國物理學家使155千兆帕高壓下（標準大氣壓的150萬倍）的固態(tài)硫化氫，在203.5K（約-70℃）實現(xiàn)了超導(dǎo)。

2020年，一個美國研究小組制造出一種在287K（相當于14℃）下超導(dǎo)的材料。這是第一次在類似于室溫的條件下實現(xiàn)超導(dǎo)。他們通過在兩顆鉆石之間擠壓材料，達到了267千兆帕的高壓（接近地核處的壓強）。

這意味著，只要給予很高的壓強，傳統(tǒng)超導(dǎo)體在室溫下工作也是可能的。為什么傳統(tǒng)超導(dǎo)體會有這種特性呢？這就需要我們發(fā)展BCS理論，從理論上作出解釋。一旦有了新理論，我們或許就能預(yù)言在壓強不特別高的條件下實現(xiàn)高溫超導(dǎo)的新材料。這樣的理論至今還付之闕如，但應(yīng)該為時不遠。2020年，有人根據(jù)一個初級理論，已經(jīng)預(yù)言了一種材料，只需要100千兆帕壓強，就能在0℃將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。

最后，需要說明的是，當我們談起超導(dǎo)革命的時候，往往想到的是“室溫超導(dǎo)”;但“室溫”并不是一個必需的條件。只要找到一種材料，它相對便宜，可以容易地拉成導(dǎo)線，并能在液氮溫度（77K左右）下工作，就可以啟動這場革命。

例如，這就足可以讓我們更便宜地制造核磁共振掃描儀，擴大其在醫(yī)學上的應(yīng)用。在電力傳輸中也是如此。使用液氮冷卻并不是一個障礙。給電纜制造真空瓶式的外套以阻止液氮過快沸騰，在今天其實是相當容易的事情。

拓展閱讀

超導(dǎo)體將如何改變世界？

在普通高壓電纜的長距離傳輸中，大約10%的電能會被損耗，因此用超導(dǎo)體制造電纜，實現(xiàn)在室溫下零電阻地傳輸電力，將是一個大變革。此外，電流在環(huán)形超導(dǎo)體中可以零損耗地持久流動，所以我們可以將來自可再生能源的電力儲存在超導(dǎo)電路中，待到需要的時候再使用。這樣，超導(dǎo)體不僅為我們節(jié)省能源，也為我們減少溫室氣體的排放作出貢獻。

使用超導(dǎo)體，用更細的導(dǎo)線即可傳輸更強的電流，這就可以提高電機的發(fā)電效率，減輕其體重，在電動汽車中將獲得廣泛的應(yīng)用。在未來的核聚變反應(yīng)堆中，由于參加聚變反應(yīng)的等離子體溫度極高，沒有一種實體的容器能夠“盛放”這種等離子體，所以我們只能求助于用強磁場將其懸浮、限制在空中。這種強磁場，也只有超導(dǎo)體才能提供。