近日《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了一項(xiàng)物理學(xué)界的重磅研究成果：美國(guó)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(lèi)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(gè)多世紀(jì)以來(lái)，開(kāi)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(jī)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(wèn)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(huì)有如此大的威力？
超導(dǎo)體有兩個(gè)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(guò)電阻會(huì)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(guò)。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(chǎng)強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無(wú)法穿過(guò)超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零的現(xiàn)象。

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

超導(dǎo)材料為什么一直沒(méi)有投入實(shí)際應(yīng)用？
目前，絕大多數(shù)超導(dǎo)體僅在接近絕對(duì)零度的溫度下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。這意味著實(shí)際應(yīng)用中需要依賴(lài)昂貴的低溫液體，如液氦，來(lái)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(jià)值。

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

中國(guó)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(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，他也是國(guó)際上最早認(rèn)識(shí)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(duì)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(guó)內(nèi)幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)又各自獨(dú)立在鐵基高溫超導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了突破，堪稱(chēng)中國(guó)鐵基超導(dǎo)“奇跡”。

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，為減小電網(wǎng)建設(shè)成本和改造費(fèi)用，同時(shí)，提高供電安全性和可靠性，國(guó)家電網(wǎng)公司也在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域開(kāi)展了積極研究與應(yīng)用。2019年，由中國(guó)電力科學(xué)研究院主導(dǎo)，國(guó)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(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司和清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的磁偏置高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)和自觸發(fā)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在極短時(shí)間內(nèi)逐級(jí)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(jì)性。2020年8月份，該磁偏置超導(dǎo)限流器長(zhǎng)期掛網(wǎng)試點(diǎn)示范應(yīng)用被納入國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司2021年科技項(xiàng)目規(guī)劃中。

此次，羅徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將可以實(shí)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(shí)現(xiàn)的，相當(dāng)于200多萬(wàn)倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，很難談得上實(shí)際應(yīng)用。金剛石頂砧高壓裝置下實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。但是，研究團(tuán)隊(duì)也在論文結(jié)尾處指出，通過(guò)微調(diào)化學(xué)成分等技術(shù)手段來(lái)降低所需壓力，未來(lái)有可能會(huì)實(shí)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(huì)為我們的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)哪些應(yīng)用？
首先，電網(wǎng)不會(huì)再因?yàn)殡娋€中的電阻而造成電的損失和浪費(fèi)，全球化電力供應(yīng)也有可能實(shí)現(xiàn)；其次，有可能開(kāi)發(fā)出速度比飛機(jī)還要快的磁懸浮列車(chē)；另外，也可以對(duì)磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機(jī)器、量子計(jì)算機(jī)等運(yùn)用超導(dǎo)電磁元件的機(jī)器進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)升級(jí)，為醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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