據(jù)美國物理學會（APS）網(wǎng)站顯示，美國羅切斯特大學助理教授、哈佛大學物理系研究員、凝聚態(tài)物理學家迪亞茲（Ranga Dias）在當?shù)貢r間 3 月 7 日舉行的“靜態(tài)超導實驗”報告會議上公布了一份最新研究成果：Dias團隊通過實驗，創(chuàng)造出了一種在室溫和相對較低壓力的可在實際條件（Practical conditions）下工作的“超導體”。

該超導體由三元氫化物（Lu-N-H，即氫、氮和镥）在約 20℃溫度下、以及 1 萬個標準大氣壓的壓力下進入超導狀態(tài)，具有完全導電性，從而探索這種新型超導體在室溫環(huán)境中應用的可能。

同時，3 月 9 日凌晨，該研究成果發(fā)表在英國《自然》雜志上，題目為Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride。時間戳顯示，這篇論文在 2022 年 8 月投出，今年 1 月 18 日被Nature接收。

圖片來源：美國物理學會網(wǎng)站

該消息傳開，在全球的物理學屆甚至科學界都在熱議。我也有同行朋友在現(xiàn)場參加了這場報告會，從現(xiàn)場照片來看，座無虛席，異常火爆，出于安全考慮甚至需要保安來維持秩序。

這個報告內容對于全球來說，可能都是一個非常具有影響力的科學事件。同時我也看到，相關內容在網(wǎng)上也引發(fā)了網(wǎng)友熱烈的討論，一方面受到很多科學界的質疑，另一方面，有些評論甚至說“這個成果能讓可控核聚變很快實現(xiàn)”。

我一直在中科院合肥研究院等離子體物理研究所，從事聚變裝置大型超導磁體的研究工作，結合我的研究，來談談我對這件事情的看法。

01

Dias的報告和論文展示了一個什么樣的發(fā)現(xiàn)？

這個報告的主要內容就是，Dias團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬氫化物（Lu-N-H，氮摻雜氫化镥），能在室溫（ 294 K，約 20℃）和近環(huán)境壓強下（ 1 GPa，約 1 萬個標準大氣壓，比此前研究結果低了兩個數(shù)量級）實現(xiàn)超導，并且通過電阻率測量（零電阻特性）、磁化率測量（邁斯納效應）和比熱容測量的結果進行佐證。

Lu-N-H在 10±0.1kbar 時獲得最高轉變溫度 294 K（圖片來源：Dias的《自然》雜志文章）

從這個成果本身來說，如果其他的科研團隊能夠獨立地重復該工作，那將極大地推動常溫常壓超導體的研究和應用，用作者的話說“近環(huán)境壓強超導和應用技術的黎明已經(jīng)到來”。

02

Dias的報告和論文中的“超導”是什么？

那這項工作到底是什么呢？這就要說一下什么是超導。

超導是 20 世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。1911 年，荷蘭萊頓大學物理學家昂納斯（H. Kamerlingh Onnes）在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)：將金屬汞冷卻到 4.2 K（零下 268.95℃）的超低溫時，其電阻突然消失的現(xiàn)象，此時電流可以毫無阻礙地通過導體而沒有任何的損耗。

后來經(jīng)過大量的實驗，他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與汞類似的在低溫下電阻消失的特性，昂納斯稱這一特殊的導電性能為“超導態(tài)”。憑借這一發(fā)現(xiàn)，昂納斯獲得 1913 年諾貝爾物理學獎，而 1911 年也被物理學界稱為“超導元年”。

超導的英文名稱為Superconductivity，顧名思義為超級（完美）導體，昂納斯首先發(fā)現(xiàn)當汞冷卻到一定溫度以下時電阻消失，并命名為超導態(tài)。因此，零電阻是人類觀察到超導態(tài)的第一個特性，也是最直觀最容易理解的一個特性。

后來研究表明，一些特殊的材料當其溫度低于某個特定值時將進入超導態(tài)，這個溫度稱為超導轉變溫度（Tc，亦稱為臨界溫度），不同的超導材料具有不同的臨界溫度。

一旦進入超導態(tài)，超導體將從電、磁、熱三個方面獨立地表現(xiàn)出一些奇妙的特性，下面將介紹超導體的兩個主要特性：零電阻特性，永不消逝的電流。

零電阻是人類認識超導的第一個特性，進入超導態(tài)超導體是沒有電阻的，如果做一個超導環(huán)路并感應出電流，那么它可以永久環(huán)流而幾乎不衰減。據(jù)粗略估計，超導環(huán)路電流衰減到零的時間將超過宇宙壽命。

邁斯納效應，拒之門外的磁場。

1933 年邁斯納（W. Meissner）和奧克森菲爾德（R. Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)了超導體另一個重要特性——完全抗磁性，即“邁斯納效應”。當溫度降到超導轉變溫度下，處于超導態(tài)的超導體能將磁力線完全排斥出去，即超導體內磁場為零。

這是由于超導體靠近磁場時會在其表面感應出超導電流，這個超導電流會在超導體內部產(chǎn)生一個與外磁場方向相反大小相等的磁場，兩磁場相互抵消使其內部總磁場為零，即超導體排斥體內磁場。

這一特性會產(chǎn)生一個有趣的現(xiàn)象——量子鎖定，電影《阿凡達》中的哈利路亞山正式基于此效應才得以懸浮在云端。

所謂的鎖定，不僅僅是懸浮或是懸掛，而是以任意姿態(tài)“鎖定”于空中。這是由于邁斯納效應的存在，外加磁場的磁力線包絡了超導體，進而抵消了其重力，磁懸浮列車正是邁斯納的實際應用。

電影《阿凡達》中的哈利路亞懸浮山（圖片來源：電影《阿凡達》劇照）

以上介紹的零電阻特性和邁斯納效應，只是宏觀量子現(xiàn)象的描述，也可作為超導態(tài)的重要判別依據(jù)（Dias的報告中通過這兩個性質測量結果證明Lu-N-H進入超導態(tài)），但缺少嚴格的微觀物理解釋。

直到 1957 年，美國科學家巴丁（John Bardeen）、庫伯（Leon Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）提出了常規(guī)金屬超導體的微觀理論，即BCS理論。

BCS理論中一個重要的假設就是電子間存在吸引力，簡單來說就是一個電子會吸引周圍的金屬晶格而導致其周圍正電荷輕微增加，而正電荷的增加又會吸引另一個電子，這兩個電子被稱為庫珀對。

而配對的電子如果動量和自旋相反，則在運動過程中能夠保持“步調一致”（即相位相干），在外電場作用下可以暢通無阻定向運動而不損失能量，這就是超導的零電阻效應。

而這個前提是，金屬晶格的熱振動很弱不足以破壞庫伯對，使其保持互相約束的狀態(tài)，這就是為什么金屬超導體都有一個轉變溫度（Tc）的原因，只有溫度足夠低，晶格熱振動才會變得微弱而不破壞庫伯對。

關于BCS超導機理，著名物理學家李政道先生曾將單個電子形象表示為單翅蜜蜂，并提議做了下面這幅漫畫，題曰“單行苦奔遇阻力，雙結生翅成超導”。

圖片來源：物理所電子期刊

03

Dias的報告和論文具有很大的創(chuàng)新性嗎？

有了BCS理論的支持，相同溫度下晶格熱振動越弱的超導材料，其超導轉變溫度（Tc）就越高。那同一溫度下誰的晶格熱振動最弱呢？肯定是原子質量最小的那個。

而自然界中最輕的元素是氫，如果能將氫變成金屬，就可能獲得室溫或更高的超導轉變溫度（Tc）。

困難的是氫原子間相互作用太弱，至少需要 500 萬個大氣壓才能讓其變成金屬，于是研究人員考慮通過氫化物形式引入重原子拉住氫原子，并結合外部加壓的方式，來獲得高的超導轉變溫度（Tc），Dias的工作就是沿著這一思路進行。

2018 年，研究人員發(fā)現(xiàn)，氫化鑭（LaH10）可在 -23℃溫度和 190 萬個大氣壓條件下實現(xiàn)超導（圖中綠色圈標記），其超導轉變溫度（Tc）接近于家用冰箱冷室的溫度。

而Dias團隊發(fā)現(xiàn)更為復雜的三元氫化物（Lu-N-H）能夠在 1 萬個大氣壓條件下，將轉變溫度（Tc）提高到約 20℃的室溫，在大大降低壓強條件的同時將轉變溫度提高到室溫。如果被證實具有可重復性，將是室溫超導的勝利曙光。

各類超導體發(fā)現(xiàn)的年代和轉變溫度，其中綠圈標記的為氫化鑭（LaH10），而紅色圈標記的是Dias團隊在2022年被《自然》雜志撤稿的工作（圖片來源：《中國科學》）

04

Dias的報告和論文為什么受到了很大的質疑？

首先，報告中給出的結果表明在 10 kbar之后隨著壓強（P）的升高轉變溫度（Tc）反而下降，這讓大家十分困惑和質疑，有待進一步研究。

Lu-N-H的超導轉變溫度（Tc）隨壓強（P）的變化，當壓強約為10kPa時轉變溫度出現(xiàn)峰值為294K，之后隨著壓強（P）升高轉變溫度（Tc）下降。其中，ρ電阻率，χ'（a.c.）動態(tài)磁化率，χ'（d.c.）靜態(tài)磁化率，c比熱容。（圖片來源：Dias的《自然》雜志文章）

其次，就要追溯到Dias團隊在 2020 年發(fā)表的一項研究成果，當時，他們聲稱開發(fā)出了一種由碳、氫和硫制成的材料，它在約 15℃溫度和 267 GPa（相當于大氣壓的 260 萬倍）的環(huán)境下，電阻急劇下降甚至消失。經(jīng)頂級科學雜志《自然》雜志發(fā)表后，這篇報告曾經(jīng)盛極一時，但也引發(fā)了很大爭議，科學界紛紛懷疑一些數(shù)據(jù)可能存在欺騙行為。

后來，Dias團隊在2020年11月20日對文章進行了更正。但是2022年2月，《自然》在該論文中附上了一份編輯說明，表示正在調查數(shù)據(jù)問題，建議讀者在引用時要謹慎。9月，《自然》不顧Dias及其合著者的反對，撤下了這篇報告。

Dias所在團隊的論文于2022年9月26日被《自然》撤稿（圖片來源：《自然》雜志）

同樣的團隊，在同一領域的研究，令人困惑的數(shù)據(jù)，曾經(jīng)撤稿的論文，所以大家在驚嘆這次報告內容的同時，也多了一份謹慎和質疑。

另外，現(xiàn)場主持人還宣布，由于特殊的原因，不許現(xiàn)場提問。不過該項研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然》雜志，相信很快就會有跟進研究。所以大家可以抱著科學的態(tài)度持續(xù)關注，耐心等待其他研究組能否獨立地重復該項工作，在此之前還是不要過度炒作。

05

室溫超導對于可控核聚變的意義？

超導材料具有零電阻和完全抗磁性等一系列神奇的特性，在能源、科研、醫(yī)療、交通等各個領域均有重要用途。

我關注到，很多網(wǎng)上評論都提到了室溫超導在可控核聚變領域的應用，核聚變能可以滿足人類對終極能源的所有愿景，它不僅清潔、安全、高效，而且取之不盡用之不竭。

可控聚變研究是一項復雜的大科學工程，而超導磁體是其核心部件之一，也是實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行的關鍵技術。

托卡馬克裝置依靠強磁場實現(xiàn)對高溫等離子體約束，其單位體積內聚變功率正比于磁場強度的 4 次方，即。所以，獲得同樣的聚變功率，提高磁場強度能夠有效縮小托卡馬克裝置的規(guī)模和造價。

以國際熱核聚變實驗堆（ITER）為例，其環(huán)向磁場強度為 5.3 特斯拉、大半徑約為 6 米；而達到同樣點火條件的FIRE裝置，其環(huán)向磁場強度為 10 特斯拉、體積卻只有 ITER 的 1/25，造價更只是ITER的約 1/20。

托卡馬克裝置尺寸與磁場強度呈負相關（圖片來源：等離子體物理研究所）

超導體的應用不僅受轉變溫度（Tc）影響，還受到臨界磁場和臨界載流密度的影響，同時還要考慮超導材料制備和磁體繞制的技術可行性。所以，具有高臨界磁場的高溫超導磁體在同等條件下能夠實現(xiàn)更高磁場，已成為未來超導托卡馬克聚變裝置設計的首選方案。

2021 年 9 月，MIT 宣布采用YBCO繞制的高溫超導磁體產(chǎn)生了 20 特斯拉的最高場，并計劃利用該技術在 2025 年建成第一個能夠實現(xiàn)能量增益的磁約束聚變裝置。

MIT研制的高溫超導磁體（20T）（圖片來源：MIT新聞網(wǎng)）

根據(jù)相關報告，Dias團隊只是發(fā)現(xiàn)了一種在近環(huán)境壓強和室溫條件下具有超導性的三元氫化物體系。如果該項研究能夠被其他研究組獨立重復，將叩起近環(huán)境壓強室溫超導研究和應用的大門。

但從超導材料研究到實用化還有很長的路要走，特別是應用于復雜的聚變堆超導磁體，不過可控核聚變研究更期待著具有更高臨界參數(shù)和實用價值的超導材料被發(fā)現(xiàn)。

即使是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的高溫超導體，應用于大孔徑高溫超導磁體還面臨諸多技術挑戰(zhàn)，且也需要運行在超低溫條件下以獲得高磁場強度。

面對挑戰(zhàn)，等離子體物理研究所科研團隊已提前部署，在新型導體結構設計與制備、磁體設計分析與制造、穩(wěn)定運行診斷與評估等方面均有所突破，以高場超導磁體技術發(fā)展助力可控聚變事業(yè)。

人類歷史上首座全超導托卡馬克實驗裝置——EAST（圖片來源：等離子體所）

出品｜科普中國

作者｜王騰（中科院合肥研究院等離子體物理研究所）

監(jiān)制｜中國科普博覽