酷玩：室温超导实现了？前科累累的印度裔专家，真的解...

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　　室温超导实现了？前科累累的印度裔专家，真的解决了世界难题？

　　昨天，远在美国拉斯维加斯美国物理学会年会会场的学界人士将一个劲爆的消息以迅雷不及掩耳盗铃之势传给了国内同行。

　　然后这个消息开始在物理学界小范围里传播，紧接在各大财经，科技微信群疯传，接着就是上新闻、上热搜。

　　俨然成了让学术圈、科技圈、财经圈乃至大量普通股民（韭菜）欢腾众说的年度盛事。那么这个消息是什么呢？

　　01

　　这几天，以凝聚态物理为主要交流领域的美国物理学会3月会议（APS March Meeting，美国时间3.5—3.10）正在赌城拉斯维加斯举行。

　　按理说这种一年一度的常规学术会议很难在公众中引发关注，毕竟谁愿意死一堆脑细胞去听懂你们掺了什么物质、加了多少压强、提高了多少温度，最后弄出来个性能比去年提高了千分之零点二的新材料呢？

　　除非你说你实现了室温超导！

　　美国时间3月7日下午，以美国罗切斯特大学助理教授Ranga P. Dias为首的科研团队在这次会议上宣布，他们在约1GPa（一万个大气压）的压强、21℃的温度下观察到了超导现象。如果这个发现后续被证明是真实的，应该可以预定一个诺贝尔物理学奖！

　　人类真的要实现室温超导了吗？

　　我知道你很急，但你先别急。

　　要理解这次的发现历史意义到底如何，我们有必要捋一捋超导的前世今生。

　　超导（Superconductor）就是超级导体。正如超级赛亚人可以完爆赛亚人一样，超导体具有普通导体无法达到的优秀性质，其中最突出的一条，就是零电阻性。

　　1911年4月8日，荷兰物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现了超导现象。当时他正在研究固态汞在低温下的电阻，偶然发现在4.2K（约零下269℃）的温度下，汞的电阻突然消失啦！

　　不过，当时的昂内斯并不知道发生了什么，完全没有意识到问题的严重性，只是把这个发现随手写到了笔记本上。直到一个多世纪后，人们才在他的笔记本中知道了这个伟大发现的确切日期和具体情况。

　　科研就如同开采油田，只要有个洞里冒出来了点油沫，同行们便会扎堆过来分一杯羹。在随后的几十年中，科学家在其他几种材料中也观察到了超导现象。例如铅在7K（1913年）、氮化铌在16K（1941年）、铌钛（NbTi）合金在约10K（1962年）时等都表现出了超导性。

　　科学发现积累到一定程度，就需要科学理论去解释。否则它将是无本之木、无根之水，走不长久的。然而，直到昂内斯发现超导现象的40年后，描述它的理论才得以成功建立。

　　1950年，前苏联物理学家朗道和金茨堡提出了金兹堡-朗道理论。该理论结合了朗道的二阶相变理论和类似薛定谔波动方程的公式，在解释超导体的宏观特性方面取得了巨大成功。

　　1957年，三名美国物理学家，巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）提出了完整的超导微观理论——BCS理论。它将超导电流解释为超流体形式的库珀对，超导是由低温下冷凝成玻色-爱因斯坦凝聚态的库珀对导致的一个宏观效应。

　　也就是说，超导现象是量子层面效应的宏观体现。只有量子力学建立后，才能找到对它进行解释的理论模型，而这也正是耗费几十年才得以发展出BCS理论的客观原因。

　　1959年，前苏联物理学家Lev Gor'kov证明BCS理论在接近临界温度（超导体从普通态转变为超导态（零电阻）时的温度）时可以简化为金兹堡-朗道理论，体现了两理论间的内在联系和统一性。

　　更有趣的一点是，作为描述物质材料超导性的金兹堡-朗道理论，它的四维推广形式——Coleman-Weinberg模型，在量子场论和宇宙学中也有着重要意义。

　　换句话说，超导并不仅仅在研究如何让电阻变为零，更是一种微观量子力学如何在宏观世界得以体现的规律。

　　02

　　一百多年来，人类对超导体的狂热追求从未减消。因为它能给世界带来的改变实在太大。

　　举个最贴近大家日常生活的例子。

　　中国在2021年的发电量达到了8.53万亿度，位居全球第一。如此高的用电需求也促进了中国在电力输运领域的技术发展，其中特高压输电便是中国在此过程中修练出来的旷世神功。

　　网络上流传着这样一句话：在特高压输电领域，中国标准就是世界唯一标准。

　　这句话不是尬吹，就是事实。中国是世界上唯一掌握特高压输电技术并广泛应用的国家。集全球之力搞的可控核聚变项目ITER正在法国如火如荼地进行中，支撑该工程运行的高压电网所需的全部设备都有一个国家提供，那就是中国。

　　中国特高压输电的发展往事值得好好讲讲，但它并不是今天的重点，重点仍要回归到超导上来。那么，特高压输电和超导又有什么联系呢？

　　简单来说——它们都能省电！

　　学过中学物理的朋友应该还记得，导体导电，但导体也耗电。由于导体内电阻的存在，当电流通过时，电阻会发热导致电能的损耗。

　　P热（发热功率）=I2（电流）R（电阻）

　　怎么降低电能损耗呢？很明显，要么降低电流，要么降低导体电阻。在输电过程中，输电功率基本是固定的，这个功率和电流、电压的关系是：

　　P输（输电功率）=U（电压）I（电流）

　　可以看出，当输电电压越大的时候，电流也就越小，这便是特高压输电在减小电能损耗方面的优势。而超导则从另一条路，也就是减小（“消灭”）电阻方面起到了异曲同工之效。

　　特高压输电再怎么提高电压也不是无限的。只要电阻存在，输电线路长了，电能在电线中的损耗便是一个不可忽视的资源浪费。据估算，中国每年在输电线路上的电能损耗率在5%左右。

　　以2021年的发电量来算的话，相当于有4.27千亿度电都浪费在了路上！约为4个三峡大坝的年发电量！按每度电五毛钱来算的话，那常温超导在国内至少是一个年产值千亿级别，全球年产值万亿级别的产业！

　　但如果仅仅是认为常温超导能为我们省下几千亿电费，那这个格局就太小了。

　　我们电网的能量分布并不是均匀的，在一些设施上往往会聚集巨大的能量，比如大城市周边的高压变电站，大数据中心，核磁共振MRI设备，质子重离子治疗仪，磁悬浮列车，粒子对撞机，可控核聚变托卡马克装置等等等等，这些设施就像是武侠小说里讲的穴位一样，支撑着社会的运转。

　　但常规导体制造的线路所能支撑的电流是有一个上限的，并且很低，这就使得这些设施的电路设计变得极为复杂并且能量级别严重受限。

　　一旦常温超导材料投入使用，就相当于打通了整个社会的任督二脉，功力便会更上一层楼。

　　但这里有个很重要的问题：目前的超导好像都是在极低温下才能实现的。

　　03

　　自超导现象被发现以来，我们在为它的神奇特性着迷的同时，的确也为实现它所需的苛刻条件而头疼。

　　学界对超导体划分了好几个分类标准，其中一个就是按照临界温度的高低来的：低于77K的是低温超导体，高于77K的是高温超导体。

　　77K是多少温度呢？-196.2℃（液氮的沸点）！好一个高温啊！

　　当然啦，我们不能按照常规的理念去审视这些学术名词。因为在科学家看来，能不用到昂贵的液氦（沸点是-268.9℃），只用液氮冷却材料就能实现超导，已经足够令人激情澎湃啦。

　　1986年，世界上首个高温超导体（当时高/低温的分界限是30K）由IBM的研究人员贝德诺尔茨和米勒发现。他们成功在35K（-238℃）的温度下发现了镧钡铜氧化物（LaBaCuO） 的超导性。

　　在过去的75年里，临界温度从1911年的4.2K上升到了1973 年的23K（铌三锗Nb3Ge），之后便是长达13年的停滞。二人的发现完全超出了人们之前的猜测与预期，因为以往的超导体多为金属材料，而这次突破临界温度极限的竟然是常温下绝缘的陶瓷材料！

　　1987 年，贝德诺尔茨和米勒共同获得了诺贝尔物理学奖，而这也创造了一个记录——在所有获得诺贝尔奖的科学家中，二人是从取得科学发现到获奖相隔时间最短的。

　　预言上帝粒子的彼得·希格斯掩面痛哭，他所提出理论到被实验证实，再到被授予奖项，花了近半个世纪的时间！

　　贝德诺尔茨和米勒的发现燃起了学术界的研究热情，振奋激昂的研究者们开足马力，很快就发现了临界温度Tc更高的超导陶瓷材料（金属氧化物，多是铜酸盐），如LaSrCuO （Tc≈38K）、YBaCuO （Tc=92K）、BiSrCaCuO （Tc=107 K）……

　　截止到2021年，具有最高临界温度的超导材料是汞、钡和钙的铜酸盐。它的Tc≈133K（-140℃），进步可谓显著。

　　铜酸盐超导材料由于是工作在液氮的温度区间，而液氮相对于之前实现超导所需的液氦，要便宜得多，比矿泉水还要便宜，于是它已经呈现出很强的大规模应用潜力。比如说它已经被用来建造下一代高温超导核聚变托卡马克装置，一些实验性质的超导线缆也已经国内电网当中投入运营。

　　（这里顺便说一下，这种高温超导现象的形成机理目前不清楚。它不能被传统的BCS理论所解释，提出靠谱理论解释这一问题的人必然会得诺贝尔奖，而且是你现在提出年底就能得的那种，加油吧各位，看好你们哦！）

　　而人们就在这种没有理论指导实践的随机游走中，发现了另一种实现高温超导的路径——高压。

　　高压高温超导体同样被归于高温超导体。早在上世纪九十年代，科学家就尝试通过加压的方式来观察超导材料的临界温度。

　　上文所说的汞钡钙铜酸盐的临界温度（133K）是在日常情况下，也就是一个标准大气压下测得的。当对它们施加30GPa（约30万个大气压）的压强后，其临界温度竟然提升到了164K，也就是-109℃。

　　2019年，德国马普化学所Drozdov团队发现在170GPa的压强下，稀土族富氢超导材料LaH10（镧氢）的临界温度达到了250K（-23℃），已经接近了更高意义上的高温超导——室温超导！

　　04

　　铺垫了那么多，也是时候来谈谈Ranga P. Dias这次所宣称的室温超导技术了。

　　在这场神秘兮兮（会议主持人说，由于某些特殊的、不可说的原因，不许现场提问题）的发布会上，Dias宣布：他们在高温高压下合成了氮镥氢化物（nitrogen-doped lutetium hydride），该材料在1GPa（一万个大气压）时，超导临界温度高达294K（21℃），已经算是真正意思上的室温超导！

　　此外，他还声称所施加的压强越小，临界温度越高（也就是越容易实现超导）。虽然结果很美妙，但也的确很反经验！

　　但话说回来，谁第一眼看到这种科学成果都得拍手称赞。如果这项成果被二次证实了，不用怀疑，这哥们将会得到诺贝尔奖。

　　但是，历史的经验告诉我们，“但是”永不缺席。

　　Dias的学术背景好像有点不干净啊。

　　2017年，他和团队成员在SCIENCE发文，宣称在495GPa下产生了金属氢超导体。但由于无法被重复，后来就不了了之了！你没看错，如此重要的发现，就如同被扫进垃圾堆一般没人在乎啦，连Dias自己也不提了！

　　2020年，他又在Nature上发文，宣称在270GPa的大气压强下，掺碳硫化氢（CSHx）材料的临界温度达到了287K，也就是14℃。

　　如果不是被同行质疑并在之后被Nature坚持撤稿的话，倒真可以算作此次大新闻的悦耳前奏。

　　正是由于这个人的前科累累，我们才不得不审慎对待由他引发的关注和讨论。在同行检验他的结果并给出最终的评判前，作为外行人的我们很难去对他这次成果的意义下结论。

　　那么我们可以相信Dias吗？我想去从另一个角度去看看这个人的学术水平到底如何。

　　上图是谷歌学术统计的Dias这些年的论文发表及被引用情况。引用数最高的前两篇前面已经被我们“盘过”了。除此之外，此人的研究成果好像并不突出。最高的引用数只有一百多次，大多数文章只有极低的两位数甚至个位数引用。

　　在学术界，发文数和引用数是判断一个学者研究水平的重要考量，虽然它不是个绝对准确的判断标准，但在大多数情况下，是能体现一个人的能力高低的。

　　毕竟我不信Dias能像希格斯老爷子那样，仅靠一篇论文就拿诺贝尔奖。

　　此外，Dias目前的h因子值为16（科研人员的h指数是指他至多有h篇论文分别被引用了至少h次。），在不考虑此人天赋异禀的情况下，远算不上是一个顶尖的学者。

　　有趣的是，h因子的发明者——美国物理学家Jorge Hirsch，正是质疑Dias存在论文造假可能性的科学家之一。

　　05

　　一百多年来，人类对超导体、高温超导体的研究就像是一场发现新大陆的探险，谁也不知道那座万众期待的美丽岛屿到底在哪里。但人们永远也不会放弃这条探索之路，因为超导体的应用场景实在太多！

　　（超导体发现时间表。蓝色菱形表示铜酸盐，黄色方块表示铁基化合物。绿色圆圈表示二硼化镁、低温或高压金属超导体）

　　早在上世纪五六十年代，超导体就被用于构建使用低温管开关的实验性数字计算机，虽然它后来没有成为计算机的基本模块，但却为后来的IBM等公司制造超导量子计算机的量子比特提供了参考价值。

　　在生物医学领域，以超导体为核心组件的超导量子干涉仪SQUID 是人类制造的最灵敏的磁场探测器。它可以探测大脑的活动信号，并以此来推断大脑内部的神经活动，还可以检测心脏的磁场以进行诊断和风险分层。

　　在科研领域，以超导材料制造的超导磁体被广泛应用于粒子加速器、对撞机、托卡马克等大型科研装置中，它们产生强大的磁场来将基本粒子或等离子体约束在装置内部。

　　在能源领域，除了我们之前说所的输电效益外，如果用超导体来制造风力发电机，也能显著降低建设成本。

　　欧盟“地平线2020”计划在2019年资助了一家名为EcoSwing的联合企业，该公司在丹麦西部3.6兆瓦风机上安装了一个超导体传动系统。

　　系统用由超导电线线圈制成的电磁体取代永磁体，与商用永磁直驱发电机相比，重量减轻了40%，对稀土金属（制造永磁体的关键材料）的依赖更是下降了两个数量级以上。如果批量生产，发电机的成本可降低40%！

　　除了上述领域，（高温/室温）超导体还有更多有前途的应用场景，包括但不限于高性能的智能电网、电力存储装置、磁悬浮设备、超导磁制冷设备等。

　　正是因为室温超导体的应用价值如此之大，人们才会对这个领域任何一点风吹草动保持关注，但不得不说，即便Dias这次搞出的大新闻被证实是真的，也远不能算得上是容易实现的室温超导。

　　从应用的角度来说，因为实现一万个大气压要比实现零下一百多度液氮温度要困难的多，也要贵得多得多，现在很多餐厅上冷盘都用到液氮了，所以Dias的这个发现推动产业发展的潜力也有限。

　　从理论的角度来说，Dias并没有提出新的理论，而真正的金矿将来自于能解释高温超导现象的理论被提出，指导我们去发现性质更好的超导材料，甚至最终发现室温常压的超导材料。

　　超导还有很长的路要走。

　　等Dias的结果被验证能否被重复的那一天，我想不会很远，我们会保持关注；等未来真正实现室温超导的那一天，我想终会实现，到时候如果我还活着，我会开一瓶茅台。