再度刷屏的“室温超导”靠谱不？不日见分晓 | 返朴

风云之声 2023-04-02

The following article is from 返朴 Author 董唯元、谭莹

■ 撰文董唯元谭莹■ 导读

美国时间3月7日，在国际物理学界的盛会美国物理学会三月会议上，罗彻斯特大学的Ranga Dias教授宣布在近环境压强（近1万个大气压）下实现了室温超导。其报告的题目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure。消息一出，迅速刷屏，不仅学界关心，产业界也殊为关心。如若实验最终能重复验证，将是一个极具广泛影响的爆炸性突破。

昨天（3月8日），一则关于超导的消息刷遍全网，就连平日里热衷养生和美食的微信群都画风骤变开始热烈地关注远在美国拉斯维加斯举行的一场物理学术会议。在这场APS（美国物理学会）的年度会议上（详见《物理学界“三月疯”：跨越种族的热爱、合作与友谊》），罗切斯特大学的Ranga Dias教授又报告了惊人的最新成果：在1GPa压强下实现了零上21℃（294K）的室温超导！据现场传回的消息和画面，会场内外一度被挤得水泄不通而超过了安防要求，保安急得奋力驱赶人群。

Ranga Dias教授报告现场 | 图源于网络

为什么说“又”呢？早在28个月前的2020年10月，这位Ranga Dias教授和他的团队就在《自然》杂志上发表了在碳氢硫（C-H-S）中发现室温超导的成果。当时的成绩是，在267GPa的压强下实现15℃的超导。这一成果在当时就吸引了许多社会关注，我们也曾急吼吼地写了篇原理性的介绍（详见《超高压下首次实现室温超导》）。

可惜2020年那篇论文后来受到许多质疑，最终在作者反对的情况下被期刊强行撤稿。而这次的新成果是基于三元氢化物（N-Lu-H）的，具体说是氮掺杂氢化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH），其结论最终是否能得到学术界的认可，需要其他实验组来重复检验。

2022年，Science对上述文章被撤稿的报道在论文上线前，一位不便透露姓名的超导科学家A对《返朴》表示，直觉该结果“too good to be true. ”他称，以前就有人用传统的BCS理论预言过，但关键是材料很难实现，现在Ranga Dias魔术般做出来了。中国科学院物理研究所研究员孙力玲在接受《返朴》采访时表示：“值得注意的是，Dias报告中给出的样品照片的颜色为蓝色，与我们通常看到的超导体具有的黑色和褐色等完全不同。如果其颜色是样品的本色，说明即使将来其它研究组可以从实验上证实其超导电性，这种超导体也不应该是我们以前所知道的超导体。”

Dias最新论文中给出的实验视频截图，样品在环境压力下为蓝色

她说：“人们期待这件事情能够被其它更多的实验研究组所验证。就像在1987年的美国APS三月会议上铜氧化物超导体的发现和超导转变温度突破液氮温区的报告所掀起的热潮，使人们在很短的时间里，通过大量的实验研究对铜氧化物的超导电性有了确定的认识，这使得铜氧化物超导体的发现者缪勒和班诺兹当年就获得了诺贝尔物理学奖。”这次之所以十分轰动，是因为如果这次的实验被认可的话，那无疑将是一个极具商业价值的成果，其意义比2020年的那次乌龙成果还重要得多。两年半之前的那个成果，即使是真实的，也需要270万个标准大气压的压强，这差不多接近地球中心处的压强，是现代工艺技术难以企及的条件。而Ranga Dias教授如今所宣称的结论，是在1万个标准大气压下实现室温超导，这就一下子把工艺难度大大降低了。这仅相当于马里亚纳海沟处海水自然压强的10倍，或是地壳与地幔交界处的压强。孙力玲说：“新报道的超导体在很低的压力下（1GPa）就可以获得，这个压力在商业化的实验设备上（通常<3GPa）都可以轻易实现，在实验技术上并没有壁垒。”在APS的报告会上，Ranga Dias教授本来并未透露太多实验细节，但北京时间3月8日晚间，该工作于Nature在线发布（点击微信页面左下方“阅读原文”可获取）。孙力玲说：“Dias教授在刚发表的Nature文章中给出了制备方法和大致的化学组分，因而其它研究组应该能够在短时间内就会对其实验结果的可靠与否加以证实。”中国科学院物理研究所研究员罗会仟也告诉《返朴》：“（论文）公布了很多实验数据，还有视频，而且条件很一般，很容易被重复，很快见分晓。”

文章刚刚被Nature在线发表如此友好的实验条件要求，令人不禁感觉假如能证实为真，分分钟就可以将其应用于各种工业乃至生活场景之中。难怪有许多原本不关心物理学的商界人士，都在第一时间认真打听这个成果的靠谱程度，有些商业大拿甚至还想恶补一下关于超导方面的理论知识。在外人看来，物理学是门非常讲究原理模型和理论计算的学问。理论物理学家们也经常提及“电子反常磁矩”这个老梗，来彰显物理学的精神所在。这个物理量的理论预测值与实验测量值在至少12位有效数字上保持一致，是确认精度最高的常数。

然而超导物理的研究现状，却很难体现这种荣光。事实上，与粒子物理相比，超导物理更像是一门玄学。研究者通过纷繁混杂的朦胧线索，几乎像大海捞针一样尝试各种可能的材料。

目前所发现的各种具有超导电性的物质可谓五花八门，其中包括金属单质、含金属化合物、非金属单质、非金属化合物……许多物质在普通条件下就是完全绝缘的陶瓷，只有在极特殊的环境下才展现出超导特性。当然这也充分地说明，超导现象是一种普遍存在的特性，并不限于特定的元素或材料类型。

然而越是普遍存在的特性，其背后的基本原理往往隐藏得越深。自从1911年超导现象被首次发现之后，理论研究者就试图对这种神奇的现象做出理论解释。如今100多年过去了，物理学家们也确实提出了许多理论。

可每个理论都只能解释一部分超导现象，目前还没有一个统一的理论可以解释所有的超导特性。我们只知道超导和超流一样，是量子效应在宏观世界的展现，但那些限定触发机制、方式和条件的底层要素，却始终难以捕捉。

如果想判断一个材料的可燃性，只需在计算机上简单计算一下化学键的结合能就直接做出判断，而不必真的用火柴去点燃它。这正是因为我们理解了“燃烧”这个特性的底层要素。而对超导而言，我们的理解程度还远未达到这种程度。

其实整个学界也非常期盼超导理论的建立，这从诺奖的发放情况就可见一斑。几乎每次超导研究的重要建树都会得到诺贝尔奖委员会的格外青睐，至今已经有5次诺奖颁发给了超导领域，分别是1913年（超导现象首次发现）、1972（BCS理论）年、1973年（约瑟夫森效应）、1987年（陶瓷材料的超导现象）和2003年（超导和超流的新理论）。

其中1972年三位获奖者中的John Bardeen是史上唯一获得过两次诺奖的物理学家，他在1956年因发明晶体管而获得诺奖。要知道，就连爱因斯坦都只因解释光电效应拿过一次诺奖，他的狭义相对论和广义相对论都没再帮他拿过第二次。由此可见诺奖委员会是多么认可BCS理论的问世。

然而即便像BCS理论这样一个已经写入教科书的理论，其实也只能解释一小部分已经发现的超导现象。有趣的是，专业人士口中超导现象被划分为“常规超导”和“非常规超导”两大类。而所谓非常规超导，就是指不能用BCS理论来解释的那些超导现象。比如前几年曾经大热的石墨烯，就是典型的非常规超导。

前述超导专家A教授说，如果此次的发现最终能被重复出来，验证为真，其理论解释还是传统的BCS，理论上并没有太多新机理的探索可做，难度在于如何实现材料。当被问及新兴的AI辅助设计材料是否能堪大任时，他表示难度很大，因为计算机有较大的局限性，好做的都是传统弱关联材料，这类材料的物理机制都清楚，相当于变一下参量，而对强关联材料，计算机无能为力。

在超导现象的探索过程中，理论研究者苦苦思索，而实验研究者靠着直觉、经验、创意、勇气、耐心和运气前行。