新浪科技訊 北京時(shí)間7月13日消息，電阻是現(xiàn)代社會最大的物理學(xué)問題之一。電流只要在電線中流動，便難免會損失一部分能量，以熱量的形式散失。電流由移動的電荷構(gòu)成，我們可以借電線對電流進(jìn)行操控。但即使是性能最強(qiáng)大、效率最高的導(dǎo)體，如銅、銀、金、鋁等金屬，也會不可避免地產(chǎn)生電阻。無論這些導(dǎo)體截面有多寬、屏蔽多么徹底、氧化程度多么低，都無法100%地傳輸電能。

　　除非我們能設(shè)法將電線從普通導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體，否則電阻永遠(yuǎn)無法避免。對普通導(dǎo)體而言，隨著溫度降低，電阻會逐漸減少。但超導(dǎo)體則不然：一旦溫度低于某個(gè)閾值，電阻便會猛跌至零。由于沒有電阻，超導(dǎo)體在傳輸電能時(shí)不會造成任何能量損失，因而成為了能效領(lǐng)域的“圣杯”。在近年來的研究中，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了迄今為止溫度最高的超導(dǎo)體。但在短時(shí)間內(nèi)，我們的電子設(shè)備還無法完成向超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)型。在本文中，我們將向你介紹超導(dǎo)體領(lǐng)域的一些前沿信息。

　　超導(dǎo)體有著一段悠久且精彩的歷史。早在19世紀(jì)，人們便意識到，即使最優(yōu)良的導(dǎo)體也會產(chǎn)生電阻。縱然可以通過增大電線橫截面、降低材料溫度、或縮短電線長度等方法降低電阻，但無論怎樣做，普通導(dǎo)體都無法擁有無限導(dǎo)電性，原因也很令人驚訝：電流可以產(chǎn)生磁場，而電阻一旦發(fā)生變化，電流便會隨之而變，致使導(dǎo)體內(nèi)部的磁場也發(fā)生改變。

　　然而，完美導(dǎo)電性要求導(dǎo)體內(nèi)部的磁場保持恒定不變。如果你設(shè)法減少了電線的電阻，電流就會增強(qiáng)，磁場便會發(fā)生變化，意味著你永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)完美導(dǎo)電性。但特定材料會產(chǎn)生一種名叫“邁斯納效應(yīng)”的量子效應(yīng)。發(fā)生該效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的所有磁場都會被排斥在外，因此對導(dǎo)體內(nèi)部的電流而言，導(dǎo)體的磁場便變成了零，導(dǎo)體也就成為了零電阻的超導(dǎo)體。

　　超導(dǎo)性最早是在1911年、液氦剛開始被大規(guī)模用作制冷劑時(shí)發(fā)現(xiàn)的。有一天，科學(xué)家?？?昂內(nèi)斯想利用液氦將水銀冷卻至固體狀態(tài)，在此過程中研究水銀的電阻性質(zhì)。如預(yù)期中一樣，隨著溫度下降，水銀的電阻也開始逐漸降低。但溫度降至4.2K（開爾文，熱力學(xué)溫度單位）后，電阻突然完全消失了。不僅如此，一旦溫度降到這一閾值以下，固態(tài)水銀內(nèi)部的磁場也不復(fù)存在。在此之后，又有其它幾種材料也表現(xiàn)出了這種超導(dǎo)特性，各自有著不同的閾值：鉛為7K，鈮為10K，一氮化鈮為16K。后續(xù)又發(fā)現(xiàn)了多種具有該特性的化合物。在此過程中，相關(guān)理論也取得了長足的進(jìn)步，幫助科學(xué)家對引發(fā)該現(xiàn)象的量子機(jī)制有了更進(jìn)一步的了解。然而，在上世紀(jì)80年代開展了一系列實(shí)驗(yàn)之后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象：由迥然相異的分子構(gòu)成的物質(zhì)不僅可以表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，并且達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)的閾值溫度遠(yuǎn)高于此前所知的任何超導(dǎo)體。

　　這一系列實(shí)驗(yàn)是從一類簡單的物質(zhì)開始的：銅的氧化物。上世紀(jì)80年代中葉，利用氧化銅與鑭、鋇兩種元素結(jié)合開展的實(shí)驗(yàn)成功打破了超導(dǎo)閾值的溫度記錄，在此前的記錄基礎(chǔ)上又升高了好幾度。但這一紀(jì)錄很快又被鍶元素打破了。沒過多久，一種名叫釔鋇銅氧的新材料竟然又打破了前者的記錄。這可不是一次簡單的技術(shù)進(jìn)步，而是一項(xiàng)重大飛躍：此前的超導(dǎo)體材料溫度閾值均低于40K，必須借助液氫或液氦才能冷卻至這一低溫。但釔鋇銅氧成為了首個(gè)閾值超過77K的超導(dǎo)材料（其閾值為92K），可以使用價(jià)格便宜得多的液氮進(jìn)行冷卻。

　　這一發(fā)現(xiàn)使得超導(dǎo)體研究發(fā)生了爆炸式增長。此后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各式各樣的超導(dǎo)材料，不斷打破溫度和壓力閾值的記錄。然而數(shù)十年來，超導(dǎo)溫度的上限卻始終無法突破200K（作為參考，室溫略低于300K）。

　　盡管如此，超導(dǎo)材料依然幫我們實(shí)現(xiàn)了一系列技術(shù)突破。例如，地球上的超強(qiáng)磁場都是利用超導(dǎo)電磁鐵生成的，應(yīng)用場景包括粒子加速器（包括歐核中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)）、醫(yī)療成像診斷設(shè)備（強(qiáng)磁鐵在核磁共振儀中扮演著關(guān)鍵作用）等等。超導(dǎo)不僅是一種神奇的科學(xué)現(xiàn)象，更對我們的科學(xué)研究起到了極大助益。

　　雖然我們對超導(dǎo)的一些應(yīng)用場景已經(jīng)耳熟能詳，比如磁懸浮列車，但這些其實(shí)并非社會層面追求的目標(biāo)。真正的目標(biāo)是為地球打造一套全面的電氣化基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，從輸電線到電子設(shè)備，都可以徹底實(shí)現(xiàn)零電阻。雖然我們可以借冷凍系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但只有室溫超導(dǎo)體才能真正實(shí)現(xiàn)高能效，并在磁懸浮列車和量子計(jì)算機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)一場基礎(chǔ)設(shè)施革命。

　　2015年，科學(xué)家做了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：對硫化氫分子（化學(xué)式為H2S，和水分子H2O很相似）加以155吉帕斯卡的極端高壓，相當(dāng)于地球海平面氣壓的150萬倍，等于在你身體表面每平方英寸上施加超過1萬噸的力。結(jié)果其超導(dǎo)閾值首次突破了200K大關(guān)，只不過條件實(shí)在過于極端了。

　　這條研究路線看上去很有前景，許多一度對室溫超導(dǎo)材料抱質(zhì)疑態(tài)度的物理學(xué)家對該領(lǐng)域重新產(chǎn)生了興趣。在2020年10月14日的《自然》期刊上，羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家蘭加?迪亞斯和同事們將硫化氫、氫氣、以及甲烷在267吉帕的極端壓力下混合在一起，創(chuàng)造出的材料再次打破了超導(dǎo)體的溫度記錄。

　　在此次研究中，超導(dǎo)體的溫度上限首次被提高到了288K，相當(dāng)于15攝氏度。只要一臺普通的冰箱或熱泵，便可使之變成超導(dǎo)體。

　　去年這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)無疑是一項(xiàng)重大突破，并且近年來，在極端條件下的半導(dǎo)體閾值溫度一直在穩(wěn)步升高。2015年的高壓硫氫實(shí)驗(yàn)攻克了200K大關(guān)，2018年的鑭氫實(shí)驗(yàn)則突破了250K大關(guān)。能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的化合物雖不至于令人大吃一驚，但的確意義非凡。

　　然而，超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用依然離我們十分遙遠(yuǎn)。在普通溫度和極端高壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，其實(shí)和在普通氣壓和極端溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)沒什么區(qū)別，同樣是大規(guī)模應(yīng)用超導(dǎo)體的阻礙。此外，這些材料必須一直保存在高壓環(huán)境下；一旦壓力下降，其溫度閾值也會下降。因此下一步，我們還需要研制一種可以在室溫和普通壓力下應(yīng)用的超導(dǎo)體。

　　問題在于，我們可能會陷入一種兩相為難的局面。當(dāng)壓力變化時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的高溫超導(dǎo)體的表現(xiàn)并不會有明顯變化，但在高壓下的高溫超導(dǎo)體則會隨著壓力的降低失去超導(dǎo)性。此外，前面提到的加壓化合物只有在極端的實(shí)驗(yàn)室條件下才能制造出極少量，顯然不適合用來制造電線。

　　不過，有了理論基礎(chǔ)、再加上電腦計(jì)算，我們?nèi)杂锌赡苷业秸_的研究方向。每一種物質(zhì)組合都會形成獨(dú)特的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，而相關(guān)理論和計(jì)算機(jī)可以幫助我們判斷哪些結(jié)構(gòu)在高溫和低壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性的可能性較大。例如，2018年攻克250K大關(guān)的那次研究便是以這類計(jì)算為基礎(chǔ)的?？茖W(xué)家通過計(jì)算，將方向瞄準(zhǔn)了鑭氫化合物，再通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

　　目前，這類計(jì)算已經(jīng)幫助我們發(fā)現(xiàn)了一種符合要求的物質(zhì)：釔氫化合物，可以在接近室溫的溫度下（零下11攝氏度）實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，所需壓力也大大降低。目前最優(yōu)秀的高溫超導(dǎo)體是金屬氫，但該物質(zhì)只有在超高壓環(huán)境下才存在，比如木星大氣層底部。不過，只要向其中加入其它元素，便既可保留高溫超導(dǎo)特性，又能大大降低壓力要求。

　　從理論上來說，所有單元素與氫的結(jié)合物都值得展開探索。目前科學(xué)家較為關(guān)注兩種元素與氫的組合，如此前由迪亞斯發(fā)現(xiàn)的碳-硫-氫化合物，以及鑭-硼-氫化合物，都在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了不錯(cuò)的前景。但類似的組合可能多達(dá)成千上萬種，必須借助計(jì)算機(jī)，才能更好地確定下一個(gè)嘗試對象。

　　如今，如何降低壓力也成為了高溫超導(dǎo)體的最大問題之一。只有在普通的溫度和壓力條件下、材料始終能夠維持超導(dǎo)特性，才算是取得了該領(lǐng)域的終極“圣杯”。從計(jì)算機(jī)到磁懸浮列車、再到醫(yī)療成像設(shè)備，雖然這些技術(shù)都會隨著超導(dǎo)體的發(fā)展不斷進(jìn)步，但最大的好處是，我們可以從電網(wǎng)中節(jié)省大量能量。據(jù)美國能源部指出，僅僅在美國，高溫超導(dǎo)體每年便可節(jié)省數(shù)千萬億美元的配電成本。

　　由于我們的能源有限，任何杜絕能效浪費(fèi)的做法都能惠及四方，包括能源提供者、配電機(jī)構(gòu)、以及各級消費(fèi)者。超導(dǎo)體還可以杜絕過熱等問題，大大降低電氣火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。此外還能延長電子設(shè)備的使用壽命，同時(shí)減少對設(shè)備散熱措施的需求。就像在20世紀(jì)、超導(dǎo)性突然一躍成為科學(xué)研究的主流一樣，如果上天保佑，也許在21世紀(jì)，該技術(shù)也會成為消費(fèi)者市場的主流。如今，我們已經(jīng)在這條路上大步前進(jìn)了。

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