超导百年：物理学“圣杯”是如何诞生的？

最近科技圈流传的大新闻，大家都知道了吧？
            简单来说，美国物理学会的三月会议上，来自罗彻斯特大学的Ranga Dias宣布，他们团队在近环境压强下实现了室温超导。
            这个消息在中文互联网流传之后，很快就有了详细的解读，业内人士的普遍看法是：先观望一会儿。
            

            
            原因有两个：
            一是这个研究本身还不确定，有学者对实验数据提出了质疑，认为样品过于均匀，实验结果目前还没有被其他课题组复现。
            二是这个团队带头人有“前科”，Ranga Dias在2020年发表于《自然》上的论文被撤稿了，多个研究组试图重复该实验，结果都不理想。Ranga Dias不披露原始数据，后来又说自己论文中合成的金属氢“消失”了，引发大家的一致抗议，认为“ Something is seriously wrong”。
            

            
            所以，室温超导虽然是“诺奖级”的工作，但说Ranga Dias已经摘下了“圣杯”，还为时过早。
            这件事并不复杂，三言两语就能说完。但有趣的是，明明诺奖八字还没一撇，还是大多数人都不了解的凝聚态物理领域，却引得中国科技圈一片焦虑，大众媒体也积极报道。
            怎么就引起了轰动呢？
            除了超导领域本身的重要性之外，还是因为这条新闻，激发了当下国际科技竞赛的普遍焦虑。
            毕竟前不久，人工智能领域的“皇冠”，刚被OpenAI用ChatGPT摘下，通用人工智能眼看着有希望了，现在物理学的“圣杯”，又抢先被美国科研人员拿走了？
            在广泛流传的一张网图里，连认证的中科院研究员，都感受到“降维打击”了，让很多人担心，咱们在基础重大突破上，不会又被拉下一大截吧？
            同班同学刚考了个语文的年级第一，你正摩拳擦掌、悬梁刺股，预备下次考试好好发挥呢，人家又捧回来一个国际物理竞赛金奖，直接保送了。可不就激发了咱们担心落后的“焦虑情绪”。
            

            
            只能说明，对于基础科技创新，大家真的太焦虑了，一有风吹草动就如临大敌，忽略了咱们中国在超导领域，也是非常优秀的。
            目前，美、日、中是全球超导领域的领先者。2008年，《科学》杂志就以“新超体把中国物理学家推向世界最前沿”为题，认为 “中国如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。”
            

            
            （2008年《科学》杂志：新型超导体推动中国物理学家走在前列）
            所以大家先放下焦虑，放下担忧，我们来聊聊超导究竟是什么？为什么能成为“诺奖级”工作？对大众生活和科技产业能带来哪些影响？
            踏破铁鞋无觅处，超导竟在我身边
            凝聚态物理？超导性？这些专用名词，是绝大多数普通人日常很少会涉猎到的。所以咱们先不去掰扯复杂的理论和技术概念，先来说一个有趣的事情：超导就在你身边。
            超导，就是“超级导电”的意思，具有这种超级导电性的材料，就是超导体。之所以能超级导电，源于电阻为零的特性。
            九年义务教育常识：电流穿过电子设备/电线环路时，会遭遇电阻，导致一些能量以热量的形式而损失掉。你的手机在高负荷运转或充电时会发热，变成暖手宝，就是这个道理。
            而超导是零电阻，所以电流可以在超导体中没有阻力、热损耗、衰减地流动。
            荷兰的理论物理学家保罗·埃伦费斯特说过，超导环路里是“永不消逝的电流”。所以，有电的地方，就有超导的用武之地。
            今天，超导在多个领域的应用已经非常成熟甚至是商业化了。我们从两个场景来看：
            一是强电应用。即在大电流或强磁场下的超导应用。
            基础科研：基础科学研究往往需要强磁场的环境，大型粒子加速器、高能粒子探测器、人工可控核聚变装置都需要高强度的超导磁体。
            能源行业：现阶段最高效的特高压交流输电技术，需要经过变电站，以市电电压传输到各家各户，长距离传输会带来电能的损失，造成能源浪费，加重环境的负担。而零电阻的超导电路，就完全不需要变电站，可以在较低电压下进行高功率传输，零损耗地传输电能，这对能源行业是革命性的变化。
            医疗行业：如今医院采用的核磁共振成像仪（MRI），成像清晰度和辨识度很高，靠的就是超导磁体，14特斯拉以上的超强超导磁体核磁共振成像技术，能够把人脑中的860亿根神经元全部清晰地测量出来，为很多疾病提供精准的医疗诊断影像。
            交通领域：磁悬浮列车大家可能都听过或坐过，时速和高铁差不多，上海浦东机场的高速磁悬浮列车跑完全程30千米只需8分钟。如果换成超导磁悬浮，速度还能翻倍。2020年，西南交通大学已经建成了首台高速超导磁悬浮样车，未来乘坐时速600千米/时以上的超导磁悬浮高速列车，大家的出行效率会更高。
            当然，还有一些与普通人生活比较远的强电应用。比如量子计算，超导量子比特技术帮助打造量子计算机，取得量子霸权；军事用途，超导体可以用于开发高强度电磁脉冲（EMP），用来瘫痪范围内的所有电子设备；太空探索，超导磁体，超导可控核聚变发动机，为太空旅行、宇宙飞船提供源源不断的动力。
            

（中车长客正在研制超导电动高速磁浮列车）            
            二是弱电应用。即在大电流或强磁场下的超导应用。
            普通人日常接触最多的还是弱电应用，比如移动通信、家电、智能设备之类的，这些领域的“超导化”其实也非常常见。
            利用超导的零电阻优势制作微波器件，可以减少数据传输的损耗，从而提高信号的识别度。3G/4G基站用上高性能超导滤波器，可以让覆盖的手机信号不串号、不混流量。
            大家平时用的笔记本电脑、手机、平板，容易因为散热不佳而烫手、运算速度变慢、烧坏主板器件，集成电路芯片越来越小，传统电路的功耗问题就越明显。如果能用超导体来制作电子元器件，就不用担心CPU发烧了。
            

            
            我们都知道，第三次工业革命的核心是电气化，物理学家J.C. Séamus Davis认为，特斯拉和爱迪生发明了电力，彻底改变了社会，而超导将再次彻底改变它。
            如今，超导并不只存在学术会议、神秘实验室、各国智库报告里，其实已经来到了我们身边。
            诺奖收割机，超导百年都在研究什么？
            这么一说，你可能会说，既然3G时代超导就开始商用了，怎么还能持续收割“诺奖”，引无数物理学科学家竞折腰呢？
            从发现超导现象，至今不过百年的时间，就已经在凝聚态物理领域诞生了60多个诺奖（诺贝尔物理奖），超导这个更小的分支，就有10个直接得奖，可见这个领域非常重要，而且难度大、收获也大。
            那么，超导的百年历史中，都研究了哪些重要问题？我们就以五次超导研究的诺奖为脉络，串联起超导的发展历史。
            

            
            1. 发现超导
            1911年，荷兰物理学家卡末林·昂尼斯在题为《汞的电阻突然迅速消失》的论文中，将零电阻的现象，命名为“超导”，这项开创性的研究，两年后就获得诺贝尔物理学奖，所在的荷兰莱顿大学的物理实验室，也一度成为世界低温物理研究中心。
            

（Heike Kamerlingh Onnes（右），超导的发现者）            
            2. 超导热力学效应
            1950年，俄罗斯科学家A.A.Abrikosov、Vitaly Lazarevich Ginzburg和英国科学家Anthony Leggett提出了超导热力学效应，认为超导就是一种量子体系中的热力学相变。
            冰热了化成水，水热了挥发成蒸汽，这个固体-液体-气体的过程就叫相变。超导体的电阻值，在临界温度下突然下降，而超导热力学效应的理论，可以用来描述超导相变的许多临界现象。
            这项工作的50年多年后，三位科学家获得了2003年的诺贝尔奖，说明搞科研不仅要脑子好使，还得有个好身体。
            

            
            3.超导微观理论
            1957年，伊利诺伊大学的三位物理学家巴丁、库珀和施里弗，利用电子配对的思想解释了超导的微观机制，即某些材料如何在低温下以零电阻导电，电子之间要相互吸引，需要晶格作为媒介，形成电子对（Cooper对），解释了汞和铅一类超导体中的超导现象。
            凭借这一超导微观理论,即BCS理论，三位科学家在1972年获得了诺贝尔物理学奖。
            

（晶格使电子产生吸引作用）            
            4.超导隧道效应
            1962年，剑桥大学的研究生约瑟夫森发现了超导的量子效应，两个超导体中间放上绝缘体，会形成“超导隧道电流”，超导电子可以量子隧穿到另一个超导体中去，加上外界电压之后，会产生量子振荡运动，这一发现对研制高性能半导体和超导体元器件，有很高的应用价值，获得1973年的诺贝尔物理学奖。
            

            
            5.高温超导材料
            1986年，IBM的柏诺兹和缪勒在一种氧化铜材料中发现了高温超导性，可以在35 K（-396 F）的温度下变成超导体。铜氧化物高温超导的发现，将临界温度大幅提高，使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻，极大地拓展了超导应用场景。
            这种新型材料，给超导研究注入了全新的活力，二人也在次年（1987年）就荣获诺贝尔物理学奖，比发现超导的“开山鼻祖”昂尼斯的获奖速度还快。
            

（柏诺兹、穆勒1986年6月发表的第一篇论文）            
            从这些里程碑的诺奖成就中，可以看到，超导是一个百年来硕果累累的基础研究领域，从理论奠基到落地应用的脚步，步履不停，而这个领域还会持续涌现更多的诺奖得主。
            那么，超导还有哪些研究方向是诺奖的种子选手，中国的研究实力究竟怎么样呢？
            下一个超导“诺奖”的种子选手
            目前，超导领域还有很多未完成的“诺奖级”工作，等待着各国科学家们“搏一搏”。
            首当其冲的，就是最近广为关注的常压室温超导体。
            超导要实现规模产业化，必须开发出更利于应用的超导材料。而一直以来，超导领域都有一个临界温度的天花板——“麦克米兰极限”，即超导临界温度不能超过40 K(零下233.15℃)。
            这个临界温度还是太低了，超导体必须通过昂贵的降温技术，比如液氮/液氢，才能保持超导性。为了让超导体规模化应用，就必须探索室温环境下（300 K，即27℃）就能够保持超导性质的材料。
            可以说，常压室温超导体，是绝对的诺奖潜力股。
            此前曾有很多论文声称找到了“室温超导体”，但基本都无法被同行重复实验，有的实验数据不可靠，最终不了了之。所以为什么说不用焦虑Ranga Dias称近环境压强下的室温超导，因为类似的“狼来了”已经发生过多次，等研究真的被自证和他证了，再着急不迟。
            

（麦克米兰极限）            
            实验技术的桎梏难以打破，基础理论突破或许能带来变革。高温超导微观理论，也是一个颇有前途的诺奖选手。
            回顾历史会发现，目前唯一获得诺奖的超导理论就是BCS理论，而能够彻底描述高温超导材料特性的理论，目前还没有一个是公认成功的。底层微观机理的未知与不清晰，也使得相关应用研究只能在既有的规则条件下艰难探索。
            如果能够将高温超导机理的微观问题研究明白，能够给室温超导带来意外的改变，加速超导产业化应用的进程，具有里程碑式的意义。
            理论突破是金字塔尖的塔尖，寻找室温超导之路，绝大多数研究人员的机会还是在新的超导材料上。
            从1911年超导被发现至今，已经有成千上万种超导材料被发现，元素周期表中大约一半的元素都显示具有低温超导性。不过，具有实际应用价值的材料，还是那些便宜、容易获得的金属与合金材料。
            前面提到，铜氧化物超导材料的发现，第二年就斩获了诺奖。那么下一个诺奖级材料会是谁呢？答案是铁基超导体。
            

            
            1987年之后铜氧化物超导材料的发现，开启了超导材料探索的蓬勃之路。如果说此前中国在超导领域的研究基础弱、追赶慢，与国际一流水平有代差。那么从上世纪八十年代开始，围绕高温超导材料，中国科学家迅速跻身到了世界前列。
            《超导“小时代”：超导的前世、今生和未来》中提到，1987年3月初，美国物理学会3月会议设立了“高临界温度超导体讨论会”，当时，来自中国、美国、日本的科学家，作为大会特邀报告人，分别报道了各自在高温超导材料探索的结果，世界各地的3000多名物理学家，挤满了1100人容量的报告厅，狂热的会议讨论一直持续了7小时，直到凌晨2点才结束。
            目前，构建出新型结构的铁基超导材料，被认为是高温超导甚至室温超导的希望所在，是下一个诺奖的潜力股，也是中国在超导领域的强项，拥有大量优秀的研究人才和丰富的研究经验，已经发现了多个铁基超导体系。
            2014年，德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氢中发现190 K超导零电阻现象，发表在《自然》期刊上，正是受到了中国科学家的理论计算启示。
            百年超导，今天依然是如此迷人，拥有无限的可能性，才会让鸿儒白丁们都如此感兴趣。
            《天空之城》中的“漂浮岛屿”，航行宇宙的太空飞船，永不枯竭的能源和动力，穿越时空的旅行……关于未来世界的想象中，超导是不可或缺的一笔，中国亦然。