7月末尾LK-99引發(fā)的熱潮在八月中旬逐漸平息。

在多家權(quán)威機(jī)構(gòu)相繼證偽LK-99的超導(dǎo)性后，8月16日Nature正式發(fā)文否認(rèn)了LK-99是室溫超導(dǎo)。

但一個(gè)問題仍然存在：真正的室溫超導(dǎo)體會(huì)是革命性的嗎？

答案取決于應(yīng)用的領(lǐng)域，以及假設(shè)的材料是否還具有其他關(guān)鍵品質(zhì)。但至少在一些科學(xué)領(lǐng)域中，尤其是那些使用強(qiáng)磁場(chǎng)的領(lǐng)域，更好的超導(dǎo)體可能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

超導(dǎo)體是一種在一定溫度下能夠無電阻傳輸電流的材料，因此不會(huì)產(chǎn)生廢熱。

但所有已確認(rèn)的超導(dǎo)體都只在低溫或極端壓力條件下或兩者兼而有之的情況下才表現(xiàn)出這種特性。

超導(dǎo)相變時(shí)熱容（c (v) ，藍(lán)色）和電阻率（ρ，綠色）的行為

這種材料在實(shí)驗(yàn)室中已隨處可見，因?yàn)檠芯咳藛T能夠使用一系列技術(shù)來降低它們的溫度，盡管這會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的成本和復(fù)雜性。

但在日常應(yīng)用中，超導(dǎo)體的低溫要求是一道難以越過的門檻。

一個(gè)極端的例子是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC），它是歐洲核子研究中心（CERN）的加速器。

為了讓質(zhì)子在 27 公里的圓圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)利用溫度僅為 1.9 開爾文（-271.25 oC）的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。

要做到這一點(diǎn)，首先需要一個(gè)包含 96 噸液氦的低溫系統(tǒng)。這是世界上同類系統(tǒng)中規(guī)模最大的。

歐洲核子研究中心磁體研究員、核工程師Luca Bottura曾表示，「如果我們不需要極端溫度，工程設(shè)計(jì)就會(huì)大大簡(jiǎn)化。」

因此，能在室溫下或接近室溫工作的超導(dǎo)體將迅速徹底改變?cè)S多科學(xué)領(lǐng)域。

但科學(xué)還沒那么快到達(dá)這一目標(biāo)。

量子問題

以量子計(jì)算機(jī)為例，這項(xiàng)新興技術(shù)有望解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的某些任務(wù)。

而構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的主要方法之一是將信息存儲(chǔ)在超導(dǎo)材料環(huán)中。

量子計(jì)算機(jī)

這些超導(dǎo)材料被冷卻到接近絕對(duì)零度（-273.15 oC），然后被裝在昂貴的、類似于俄羅斯套娃的設(shè)備中，這種設(shè)備被稱為稀釋冰箱。

稀釋冰箱

在基于超導(dǎo)體的量子計(jì)算機(jī)中，溫度升高哪怕是零點(diǎn)幾度，性能也會(huì)迅速下降，其原因與超導(dǎo)性無關(guān)。

超導(dǎo)量子計(jì)算的共同發(fā)明人中村泰信（Yasunobu Nakamura）認(rèn)為，量子計(jì)算對(duì)任何類型的噪聲都極為敏感，而熱振動(dòng)則是一個(gè)主要敵人，它會(huì)產(chǎn)生虛假的「準(zhǔn)粒子（quasiparticles）」。

他提到，在 100-150 毫開爾文左右，就可以看到熱激發(fā)準(zhǔn)粒子的對(duì)抗效應(yīng)。

在其他情況下，實(shí)驗(yàn)本身可能不需要極度低溫，但超導(dǎo)體仍需要保持比其轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)時(shí)（即Tc）還要低得多的溫度。

超導(dǎo)體的物理特性各不相同。但在許多應(yīng)用中，尤其是在高磁場(chǎng)磁體中，有兩個(gè)特性至關(guān)重要：臨界電流和臨界磁場(chǎng)。

這是因?yàn)槌瑢?dǎo)電性不但會(huì)在溫度升高時(shí)喪失，而且還會(huì)在材料被推動(dòng)承載超過一定量的電流或暴露在足夠高的磁場(chǎng)中時(shí)喪失。

麻省理工學(xué)院的低溫系統(tǒng)中包裹著具有高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體.Credit：David L. Ryan/The Boston Globe via Getty

最重要的是，臨界磁場(chǎng)和臨界電流都與溫度有關(guān)：溫度越低，材料所能承受的電流和磁場(chǎng)就越大。

因此，雖然超導(dǎo)體的 Tc 很高，但這并不意味著它可以在低于 Tc 的任何溫度下使用。

在許多應(yīng)用中，超導(dǎo)體的性能會(huì)隨著系統(tǒng)溫度的降低而提高。

幸運(yùn)的是，目前發(fā)現(xiàn)的最好的超導(dǎo)體，包括一類叫做銅氧化物（或銅酸鹽）超導(dǎo)體的超導(dǎo)體，只要保持足夠低的溫度，也能承受非常高的磁場(chǎng)。

在現(xiàn)場(chǎng)

四年前，位于佛羅里達(dá)州塔拉哈西的美國國家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（National High Magnetic Field Laboratory ，NHMFL）曾使用一種銅氧化物來獲得穩(wěn)定（非脈沖）磁場(chǎng)強(qiáng)度的記錄。

NHMFL 的超導(dǎo)線圈能產(chǎn)生 45.5 特斯拉的磁場(chǎng)，但前提是它們必須保持在液氦中，即低于 4.2 開爾文。

NHMFL首席科學(xué)家、物理學(xué)家Laura Greene說：「我們使用高-Tc超導(dǎo)體不是因?yàn)樗鼈兊腡c值高，而是因?yàn)樗鼈兊呐R界磁場(chǎng)高?！?/span>

美國另一個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室，位于新澤西州的普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（Princeton Plasma Physics Laboratory ，PPPL）的機(jī)械和電氣工程師Yuhu Zhai說：「如果你想要一個(gè)高磁場(chǎng)磁體，那就在盡可能低的溫度下運(yùn)行它，因?yàn)槟鞘悄惬@得超導(dǎo)性真正力量的地方。」

歐洲核子研究中心正在探索未來粒子對(duì)撞機(jī)的選擇，該對(duì)撞機(jī)最終以比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高七倍的能量粉碎質(zhì)子，物理學(xué)家們希望能在這個(gè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)新的基本粒子。

歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)與超級(jí)質(zhì)子同步加速器的地圖

要達(dá)到這些更高的能量，粒子必須使用更高的場(chǎng)或沿著更長(zhǎng)的加速器環(huán)路進(jìn)行加速，或者兩者兼而有之。

為了建造這樣一臺(tái)機(jī)器，物理學(xué)家夢(mèng)想在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)旁邊挖掘一條長(zhǎng)達(dá) 100 公里的環(huán)形隧道。

但即使有這么大的環(huán)形隧道，像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)那樣的超導(dǎo)磁體，即帶有鈮鈦線圈的8特斯拉怪獸也無法產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)，估計(jì)至少需要16到18特斯拉。

對(duì)此，Bottura認(rèn)為，「在這一點(diǎn)上，我們顯然必須轉(zhuǎn)向其他材料。」

目前的高Tc超導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但可能需要將其保持在液氦溫度下。

中國提出的類似加速器：即環(huán)形電子-正電子對(duì)撞機(jī)，也將使用高Tc超導(dǎo)磁體。

北京高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳表示，他們考慮高溫超導(dǎo)材料已經(jīng)有一段時(shí)間了，主要是銅酸鹽和鐵基材料。

臨界電流

然而，銅氧化物的超導(dǎo)體也有其他缺點(diǎn)：它們是脆性的陶瓷材料，生產(chǎn)成本高昂，也很難將其制造為電纜。

此外，王貽芳也提到，這種材料的臨界電流也太低。而另一類鐵基超導(dǎo)體原則上性能更好，成本也只有氧化銅的一半。

Bottura和其他人正在研究一種全新加速器的可行性。

通過用μ介子（類似于電子但質(zhì)量大207倍的粒子）取代質(zhì)子，對(duì)撞機(jī)可以研究與100公里長(zhǎng)的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)相同類型的物理學(xué)。

但研究對(duì)撞機(jī)的環(huán)要小得多，甚至可以放入現(xiàn)有的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)隧道中，讓?duì)探樽永@一圈并不涉及強(qiáng)度特別高的磁場(chǎng)。

但問題是產(chǎn)生具有適當(dāng)特性的μ介子束，可能需要高達(dá)40特斯拉的磁鐵。

在這種強(qiáng)度下，問題不再是超導(dǎo)體，而是如何保持線圈的位置，因?yàn)殡姶啪€圈內(nèi)的電流往往會(huì)將磁鐵推開。

而在 40 特斯拉的條件下，即使是最堅(jiān)固的鋼材也無法承受機(jī)械應(yīng)力。

相反，磁體可能需要使用碳纖維等更堅(jiān)固的材料。(NHMFL磁體對(duì)強(qiáng)度的要求沒有那么嚴(yán)格，因?yàn)樗枰谥挥袔桌迕讓挼目臻g內(nèi)產(chǎn)生高磁場(chǎng)）。

因此，在質(zhì)子對(duì)撞機(jī)和μ介子對(duì)撞機(jī)中，超導(dǎo)體將會(huì)發(fā)揮巨大作用，但也可能出現(xiàn)其他工程挑戰(zhàn)。

融合之旅

然而，在另一類旨在利用核聚變能的機(jī)器中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)成為了嚴(yán)重的制約因素。

長(zhǎng)期以來，一種既定的聚變方法是使用排列成圓環(huán)形狀，也被稱為托卡馬克（tokamak）的磁體來限制等離子體，將等離子體加熱到數(shù)百萬度，將氫的各種同位素碰撞在一起。

世界上最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克名為ITER，正在法國南部建設(shè)，它將使用大型液氦來冷卻磁體并產(chǎn)生接近12特斯拉的磁場(chǎng)。

但根據(jù)Zhai的說法，工業(yè)和公共資助的實(shí)驗(yàn)室都在努力設(shè)計(jì)基于高Tc超導(dǎo)體的托卡馬克磁體。

原因有很多，如更高的磁場(chǎng)可能會(huì)大幅提高聚變反應(yīng)堆燃燒燃料的速率，從而在原則上提高可產(chǎn)生的能量，但從聚變中提取能量的許多關(guān)鍵步驟尚未得到證明。

工業(yè)努力增加高Tc磁性材料產(chǎn)量的一個(gè)積極結(jié)果是讓它們的成本降低了，但它們?nèi)员肉?鈦材料昂貴得多。

此外，Zhai還表示，托卡馬克最終應(yīng)該放棄液氦冷卻。一方面是因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)復(fù)雜難建，另一方面是氦作為稀缺資源，難以建造數(shù)百個(gè)使用液氦的ITER大小的反應(yīng)堆。

Greene認(rèn)為，尋找更好的超導(dǎo)材料是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，迄今為止成功的案例寥寥無幾。

盡管如此，她還是說到：「這是一項(xiàng)艱苦的工作，也是一項(xiàng)令人興奮的、正在改變世界的工作?！?/span>