近日《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了一項物理學(xué)界的重磅研究成果：美國羅徹斯特大學(xué)研究人員在氫化物材料中，首次觀察到了288K(約15℃攝氏度)的溫度下的室溫超導(dǎo)現(xiàn)象。



室溫超導(dǎo)現(xiàn)象刷新了高溫超導(dǎo)材料最高臨界溫度的歷史紀(jì)錄，也代表著人類向著創(chuàng)造出具有最優(yōu)效率電力系統(tǒng)的目標(biāo)又邁出了重要一步。一個多世紀(jì)以來，開發(fā)室溫超導(dǎo)材料一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的“圣杯”。據(jù)羅徹斯特大學(xué)物理和機械工程助理教授蘭加·迪亞斯(Ranga Dias)所言，這些室溫超導(dǎo)材料一旦問世，甚至可以徹底改變當(dāng)今世界的面貌。

為什么室溫超導(dǎo)材料會有如此大的威力？
超導(dǎo)體有兩個特性：零電阻和完全抗磁性。中學(xué)物理的歐姆定律告訴我們，電流通過電阻會發(fā)熱，從而導(dǎo)致大量的能源轉(zhuǎn)化成熱能損失了。而在特定溫度下，電能可以在超導(dǎo)材料中零電阻通過。除了零電阻的特性以外，超導(dǎo)材料還具有完全抗磁性-指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象。

這兩個特性使得超導(dǎo)體在電流傳輸過程中幾乎沒有能量耗損，每平方厘米超導(dǎo)材料上還能承載更強的電流，可以實現(xiàn)最優(yōu)效率；而一般常規(guī)材料，在導(dǎo)電過程中都會消耗大量能量。

超導(dǎo)材料為什么一直沒有投入實際應(yīng)用？
目前，絕大多數(shù)超導(dǎo)體僅在接近絕對零度的溫度下才能實現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。這意味著實際應(yīng)用中需要依賴昂貴的低溫液體，如液氦，來維持低溫環(huán)境。因此，超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，甚至維持低溫的成本，都要遠(yuǎn)超材料本身的價值。

自1911年超導(dǎo)體首次被發(fā)現(xiàn)以來，尋找室溫超導(dǎo)材料一直是科學(xué)家們競相追求的目標(biāo)。

中國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域收獲頗豐，趙忠賢院士就曾因在這一領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)榮獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎，他也是國際上最早認(rèn)識到銅氧化合物超導(dǎo)體重要意義的少數(shù)科學(xué)家之一。1987年，他的團(tuán)隊在釔鋇銅氧(Ba-Y-Cu-O)中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。
2008年，國內(nèi)幾個研究團(tuán)隊又各自獨立在鐵基高溫超導(dǎo)上實現(xiàn)了突破，堪稱中國鐵基超導(dǎo)“奇跡”。

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長，為減小電網(wǎng)建設(shè)成本和改造費用，同時，提高供電安全性和可靠性，國家電網(wǎng)公司也在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域開展了積極研究與應(yīng)用。2019年，由中國電力科學(xué)研究院主導(dǎo)，國網(wǎng)遼寧省電力有限公司、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司和清華大學(xué)合作開發(fā)的磁偏置高溫超導(dǎo)限流器樣機經(jīng)驗證具備10千伏并網(wǎng)能力。高溫超導(dǎo)故障限流器(SFCL) 具有響應(yīng)快、損耗低、載流能力強和自觸發(fā)能力強等優(yōu)點，可在極短時間內(nèi)逐級限制電網(wǎng)故障電流，降低斷路器配置容量，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性。2020年8月份，該磁偏置超導(dǎo)限流器長期掛網(wǎng)試點示范應(yīng)用被納入國網(wǎng)遼寧省電力公司2021年科技項目規(guī)劃中。

此次，羅徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊將可以實現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15 攝氏度。然而，這種室溫超導(dǎo)是在金剛石“砧板”制造的267吉帕(Gpa)高壓下實現(xiàn)的，相當(dāng)于200多萬倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，很難談得上實際應(yīng)用。金剛石頂砧高壓裝置下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)。但是，研究團(tuán)隊也在論文結(jié)尾處指出，通過微調(diào)化學(xué)成分等技術(shù)手段來降低所需壓力，未來有可能會實現(xiàn)大氣壓下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的室溫超導(dǎo)體。

常溫常壓超導(dǎo)會為我們的經(jīng)濟社會發(fā)展帶來哪些應(yīng)用？
首先，電網(wǎng)不會再因為電線中的電阻而造成電的損失和浪費，全球化電力供應(yīng)也有可能實現(xiàn)；其次，有可能開發(fā)出速度比飛機還要快的磁懸浮列車；另外，也可以對磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機器、量子計算機等運用超導(dǎo)電磁元件的機器進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)升級，為醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

未來，人類可能會進(jìn)入“超導(dǎo)社會”，到那時，人類社會在能源、交通、高精度儀表和生物醫(yī)學(xué)等各個方面可能都將發(fā)生深刻變化。