川觀新聞記者 徐莉莎
全球熱議的“室溫超導”新突破，或已被光速證偽。
3月15日，南京大學超導物理和材料研究中心聞海虎團隊，提交了一篇包括9名作者、長達16頁的研究論文，直截了當否定了美國羅切斯特大學蘭切·迪亞斯團隊的室溫超導研究結論。
就在8天前，迪亞斯宣稱，他的團隊在1GPa（約1萬個標準大氣壓）下，實現了294K（21℃）的室溫超導。消息一經傳出，立刻轟動全球。
很快，分別有三個中國團隊相繼“復刻”了相關實驗，沒能得到同樣的結果。
超導現象發現百余年以來，引無數物理學家“競折腰”。專門授予超導領域的諾貝爾獎就有5次，其他與超導相關的諾貝爾物理學獎更是數不勝數。
超導為何如此迷人？在四川，科研人員圍繞超導，有哪些典型的研究和應用？
它是諾獎“收割機”，引無數物理學家“競折腰”
超導，其實就在我們身邊。顧名思義，超導就是超級導電的意思。
1911年，荷蘭物理學家卡末林·昂尼斯團隊打開了超導的大門。他在研究低溫下金屬汞的電阻時，發現汞的電阻變為零，并把這個具有零電阻的導體稱之為超導，把發生超導現象的溫度定義為臨界溫度。隨后，德國科學家又發現，超導體還具有特殊的磁性質——完全抗磁性，即當超導體材料處于超導態時，所有的外磁場磁力線將被排出導體體外。
中科院物理所研究員羅會仟科普，一個材料能否稱之為超導體，必須同時具有零電阻和完全抗磁性兩個獨立的物理性質。因為這些神奇的特性，超導材料具有許多潛在應用。
電流穿過電子設備時，會遭遇電阻，導致能量以熱量的形式損失掉。當我們的手機在高負荷運轉或充電時會發熱，就是這個道理。而超導是零電阻，所以電流可以在超導體中沒有阻力、熱損耗、衰減地流動?？梢哉f，有電的地方，就有超導的用武之地。
如果開發出這種材料，實現近常溫的應用，那能源、醫療、國防、核聚變研究等方面都能獲益。
例如現階段最高效的特高壓交流輸電技術，需要經過變電站，以市電電壓傳輸到各家各戶，長距離傳輸會帶來電能的損失，造成能源浪費，加重環境的負擔。而零電阻的超導電路，就完全不需要變電站，可以在較低電壓下進行高功率傳輸，零損耗地傳輸電能，可以為能源行業帶來革命性的變化。
此外，室溫超導技術還能夠推動超導磁懸浮列車的研發、解決大容量電子芯片線路過熱等技術難題。
盡管有廣泛的應用前景，超導領域卻一直面臨困境——超導的實現必須依賴一定的條件。其中最關鍵的是超導臨界溫度不能超過40K（即零下233.15℃）。這樣一來，超導體必須通過昂貴的降溫技術，比如液氮、液氫，極大增加了超導的應用成本。
為了讓超導體規?；瘧?，常壓、室溫超導體引得科學家們“競折腰”。在100多年的時間里，科學家們主要做的一件事情，就是不斷地尋找更高溫度的超導體，刷新超導臨界溫度的紀錄。但科學界一直未能破解室溫超導性的密碼。
也正因如此，迪亞斯團隊宣布發現的近常壓的室溫超導體才引發廣泛關注。
四川學者近日在《自然》雜志刊文，找到鎳基超導看不見的“手”
在探尋室溫超導之路上，四川也有不少科研人員為之著迷。
就在3月2日，電子科技大學物理學院教授、凝聚態物理研究所所長喬梁在《自然》上發表研究成果。文章指出，氫元素是一只“看不見的手”，它悄悄改變了制備出的材料的物理性能，是影響鎳基超導電性關鍵而又隱秘的元素。
喬梁團隊為理解鎳基超導的物理起源提供了關鍵信息。
都是超導材料，鎳基超導又是怎么一回事？超導現象雖然看似神奇，但卻普遍存在于各種化合物之中。1968年，美國物理學家威廉·麥克米蘭預言，得到最大超導體臨界溫度約是30—40K，也就是所謂的“麥克米蘭極限”。1986年，這一預言被打破。兩名歐洲科學家發現了以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體，臨界溫度35K。這一發現引發了銅基超導研究的熱潮。美國休斯頓大學的華裔物理學家朱經武團隊找到一種超導臨界溫度高達93K的銅氧化物陶瓷材料。
“為什么銅基超導可以打破麥克米蘭極限？”喬梁說，到目前為止仍不能解釋。能不能借助一個類銅的材料，通過對其超導機制的研究，反推銅基超導的機理？在元素周期表上，鎳與銅相鄰，過去10年來，不少物理學研究者也踏上了鎳基超導這條路。中國科研團隊擅長于鐵基超導的研究，在對銅基超導物性研究和機理研究中，來自中國的聲音并不多。
2019年，美國斯坦福大學的團隊在基于無限層結構的鎳氧化物外延薄膜中發現了超導電性。“從無到有，具有劃時代的意義！”喬梁回憶起當時的心情。最讓他興奮的是，他博后期間，正是在做這類薄膜。在此之前，他沒有做過超導領域的研究。“我們要不要試一試？”喬梁和團隊商量。當年9月，他和團隊“半路出家”，走上了鎳基超導之路。剛開始的研究并不順利，在疫情、實驗室搬家等客觀因素影響下，到2021年4月，喬梁團隊才成功“重現”了鎳基超導樣品。
鎳基材料為什么可以實現超導？為什么只有全球幾個團隊可以做出來？當不同科學家的課題組制備的材料樣品頻繁出現“性能不能重現”的問題時，第一直覺告訴他——材料內部可能存在著不為人知的“隱變量”，悄悄改變了制備出的材料的物理性能。
團隊在超導樣品里氫的調控實驗中發現，如果溫度不變，逐步增加還原時間，會發生“弱絕緣→超導→弱絕緣”的變化。為什么調控時間會引起這樣的變化？“黑匣子”內，到底誰是那只“看不見的手”？
元素周期表排名第一的氫元素，具有最小的原子半徑和原子質量，其無處不在又很難被探測到。考慮到“藏在角落”的氫有可能顯著改變材料的電子結構和物質性質，聯想到實驗中用到的還原劑鈣化氫。喬梁想，“會不會是氫元素在起作用？”在合作者的幫助下，他們發現了鎳基超導外延薄膜中存在大量的氫元素，還進一步“鎖定”了氫元素在材料內部的原子占據位置。
鎳基超導中氫元素作用示意圖。受訪者供圖
喬梁凡事喜歡多問一個“為什么”。通過進一步研究，他們揭示了氫元素起作用的微觀機制?！斑@只‘看不見的手’在無限層結構鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中，悄悄地起到改變費米面電子結構的作用，并在鎳基材料超導電性的產生過程中扮演著關鍵性的角色。”
該成果為理解鎳基超導的物理起源提供了關鍵信息，也為未來深入理解鎳基超導的相關物理和材料性能，提供了準確的物理模型。
在四川，高溫超導托舉起十幾噸重的列車
除了研究超導材料，在四川，也有科學家在積極開展高溫超導應用技術的研究，其中誕生了一個重要領域的研究應用——高溫超導磁浮列車技術。上世紀80年代起，西南交通大學相關團隊就在進行原理驗證。
西南交大九里校區，牽引動力國家重點實驗室門口，一輛重逾10噸的鴨嘴型磁懸浮列車車體，靜靜地“浮”在軌道上。仔細看，整個車體離軌道尚有10毫米左右的空隙。
2021年1月13日上午，具有完全自主知識產權的高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在西南交通大學九里校區正式啟用。 川觀新聞記者 華小峰 攝
自2021年1月工程化樣車正式啟用，政商學界的來訪者絡繹不絕。大家好奇：世界首條高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線，到底什么樣？預期運行時速600公里，坐起來什么感覺？
“你看到的是兩條不銹鋼平板取代了傳統鋼軌軌道，實際上不銹鋼板下方才是我們真正的軌道——永磁體。”西南交通大學設計研究院有限公司技術中心副總工程師李艷說。在樣車底部，一個名為“杜瓦”的盒子里，則裝著超導塊材。利用超導體的釘扎特性，即超導體和永磁體之間產生了“若即若離、又不離不棄”的懸浮力和導向力，超導釘扎磁浮得以實現。
李艷表示，“現階段，超導材料進入超導態需要一定的低溫條件。”為了維持超導塊材的自穩定懸浮狀態，唯一需要的是制冷劑液氮，零下196℃的液氮使超導材料一直處于超導狀態。在試驗線旁側，配備有液氮制備機、液氮罐和自動灌注系統。
她期盼著，如果未來能用上在大氣環境下工作的室溫超導材料，這些降溫所需制冷劑和設備都可以取消，將會進一步提升磁浮列車的應用價值。
而超導材料的應用十分復雜，不止是提高臨界溫度這么簡單。找到這樣的材料，宛如大海撈針。
此外，羅會仟認為，并不是找到了一種室溫超導體，就馬上能用了，就立刻帶來技術革命、能源革命，現在還遠遠到不了這個地步。從工程應用上說，還會有很多非常細節、非常復雜的問題，對制備材料提出更高要求。
“室溫超導肯定是很難的，哪有那么容易呢？”聞?；⒃诮邮懿稍L時說，“室溫超導是很長遠的夢，但是我們心中要存有這個長遠的目標，認真去做?！?/p>
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