室温超导体可以带我们进入未来

更新（2023 年 11 月 9 日）：本周， 《自然》杂志应一些质疑电阻数据的合著者和其他物理学家的要求撤回了镥超导性研究。下面的故事重点介绍了实现室温超导性的挑战以及围绕镥声明的争议，现已更新以反映撤回。

未来，电线可能会穿过海底，毫不费力地将电力从一个大陆输送到另一个大陆。这些电缆将传输来自巨型风力涡轮机的电流或为悬浮高速列车的磁铁提供动力。

所有这些技术都依赖于物理学界长期追求的一个奇迹：超导性，这是一种增强的物理特性，可以使金属传输电流而不会损失任何电量。

但超导性只能在冰点温度下发挥作用，而对于大多数设备来说，这种温度太低了。为了使其更有用，科学家必须在常温下重现同样的条件。尽管物理学家自 1911 年以来就知道超导性，但他们仍然无法发现室温超导体，就像沙漠中的海市蜃楼一样。

什么是超导体？

所有金属都有一个点，称为“临界温度”。将金属冷却到该温度以下，电阻率几乎消失，使带电原子更容易通过。换句话说，通过超导导线闭合环路的电流可以永远循环。

如今，发电机和消费者之间有 8% 到 15% 的市电会浪费，因为标准电线的电阻会自然地将部分电能以热量的形式带走。超导电线可以消除所有这些浪费。

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还有另一个好处。当电流通过线圈时，会产生磁场；超导导线会增强这种磁性。目前，超导磁体已经为 MRI 机器提供动力，帮助粒子加速器引导其目标绕环运行，在聚变反应堆中塑造等离子体，并推动磁悬浮列车，例如日本正在建设中的中央新干线。

调高温度

虽然超导性是一种神奇的能力，但物理学却用低温警告削弱了它。大多数已知材料的临界温度仅略高于绝对零度（-459 华氏度）。例如，铝的临界温度为 -457 华氏度；汞的临界温度为 -452 华氏度；而延展性金属铌的临界温度则为温和的 -443 华氏度。将任何东西冷却到如此寒冷的温度都是繁琐且不切实际的。

科学家们通过用铜酸盐（一种含有铜和氧的陶瓷）等特殊材料进行测试，在有限的范围内实现了这一目标。1986 年，两名 IBM 研究人员发现了一种在 -396 华氏度下超导的铜酸盐，这一突破为他们赢得了诺贝尔物理学奖。很快，该领域的其他人将铜酸盐超导体的温度推到了 -321 华氏度以下，这是液氮的沸点——一种比他们原本需要的液氢或氦更容易获得的冷却剂。

“那真是一段激动人心的时光，”马里兰大学物理学家理查德·格林说。“当时人们都在想，‘好吧，我们也许能够达到室温。’”

如今，30 多年过去了，室温超导体的探索仍在继续。借助能够预测材料特性的算法，许多研究人员认为他们比以往任何时候都更接近目标。但他们的一些想法引起了争议。

复制困境

该领域取得进展的一种方式是将注意力从铜酸盐转移到水合物，即带有负电荷氢原子的材料。2015 年，德国美因茨的研究人员用硫氢化物创造了一项新纪录，该硫氢化物在 -94 华氏度下超导。其中一些人随后很快用稀土元素镧的氢化物打破了自己的纪录，将汞的温度推高到 -9 华氏度左右——大约是家用冰箱的温度。

但同样，这里也有一个问题。当周围压力发生变化时，临界温度也会发生变化，而氢化物超导体似乎需要相当高的压力。镧氢化物只有在压力超过 150 千兆帕时才能实现超导性——这大致相当于地球核心的条件，对于地表世界的任何实际用途来说，这个压力都太高了。

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因此，当纽约州北部罗切斯特大学的机械工程师们展示出由另一种稀土元素镥制成的氢化物时，人们会感到多么惊讶。根据他们的研究结果（该研究结果现已撤回），镥氢化物在 70 华氏度和 1 千兆帕斯卡左右时会超导。这仍然是地球海平面气压的 10,000 倍，但足够低，可用于工业工具。

布法罗大学理论化学家伊娃·祖雷克 (Eva Zurek) 表示：“压力并不大。如果能够复制，这种方法将具有重大意义。”

然而，科学家以前也见过这种尝试。2020 年，同一研究小组声称他们在碳和硫的氢化物中发现了室温超导性。在最初的轰动之后，他们的许多同行指出，他们的数据处理不当，他们的工作无法复制。最终，罗彻斯特大学的工程师屈服了，并撤回了那篇论文。

现在，他们在镥超导体方面也面临同样的问题。“这确实需要验证，”格林说。早期迹象并不乐观：中国南京大学的一个团队最近试图复制该实验，但没有成功。

“许多团队应该能够重复这项工作，”格林补充道。“我认为我们很快就会知道这是否正确。”

但如果这种新氢化物确实标志着首个室温超导体——接下来会怎样？工程师们明天就会开始在全球各地架设电线吗？不完全是。首先，他们必须了解这种新材料在不同温度和其他条件下的表现，以及它在较小尺度下的表现。

“我们还不知道它的结构。在我看来，它与高压氢化物有很大不同，”祖雷克说。

如果超导体可行，工程师们将不得不学习如何将其用于日常用途。但如果他们成功了，其结果可能是改变世界的技术的礼物。