北京時間10月14日，最新一期《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項物理學界的重磅研究成果：美國羅徹斯特大學研究人員在氫化物材料中，首次觀察到了288開（約15攝氏度）的溫度下的室溫超導現(xiàn)象。
這一發(fā)現(xiàn)刷新了高溫超導材料最高臨界溫度的歷史紀錄，也代表著人類向著創(chuàng)造出具有最優(yōu)效率電力系統(tǒng)的目標又邁出了重要一步。
一個多世紀以來，開發(fā)室溫超導材料一直是凝聚態(tài)物理學的“圣杯”。據(jù)羅徹斯特大學物理和機械工程助理教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）所言，這些材料一旦問世，甚至可以徹底改變當今世界的面貌。
為什么室溫超導材料會有如此大的威力呢？
超導體有兩個特性：零電阻和完全抗磁性。
中學物理的歐姆定律告訴我們，電流通過電阻會發(fā)熱，從而導致大量的能源轉(zhuǎn)化成熱能損失了。而在特定溫度下，電能可以在超導材料中零電阻通過。
除了零電阻的特性以外，超導材料還具有完全抗磁性——指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導體，超導體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象。
這兩個特性使得超導體在電流傳輸過程中幾乎沒有能量耗損，每平方厘米超導材料上還能承載更強的電流，可以實現(xiàn)最優(yōu)效率；而一般常規(guī)材料，在導電過程中都會消耗大量能量。
既然超導材料功能如此強大，為什么一直沒有投入實際應(yīng)用呢？
目前，絕大多數(shù)超導體僅在接近絕對零度的溫度下才能實現(xiàn)超導狀態(tài)。這意味著實際應(yīng)用中需要依賴昂貴的低溫液體，如液氦，來維持低溫環(huán)境。因此，超導應(yīng)用的成本急劇增加，甚至維持低溫的成本，都要遠超材料本身的價值。
自1911年超導體首次被發(fā)現(xiàn)以來，尋找室溫超導材料一直是科學家們競相追求的目標。
中國科學家在高溫超導領(lǐng)域收獲頗豐，趙忠賢院士就曾因在這一領(lǐng)域的突出貢獻榮獲國家最高科學技術(shù)獎，他也是國際上最早認識到銅氧化合物超導體重要意義的少數(shù)科學家之一。1987年，他的團隊在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k的超導轉(zhuǎn)變。
2008年，國內(nèi)幾個研究團隊又各自獨立在鐵基高溫超導上實現(xiàn)了突破，堪稱中國鐵基超導“奇跡”。
近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長，為減小電網(wǎng)建設(shè)成本和改造費用，同時，提高供電安全性和可靠性，國家電網(wǎng)公司也在高溫超導領(lǐng)域開展了積極研究與應(yīng)用。2019年，由中國電力科學研究院主導，國網(wǎng)遼寧省電力有限公司、中科院合肥物質(zhì)科學研究院、特變電工沈陽變壓器集團有限公司和清華大學合作開發(fā)的磁偏置高溫超導限流器樣機經(jīng)驗證具備10千伏并網(wǎng)能力。高溫超導故障限流器( SFCL) 具有響應(yīng)快、損耗低、載流能力強和自觸發(fā)能力強等優(yōu)點，可在極短時間內(nèi)逐級限制電網(wǎng)故障電流，降低斷路器配置容量，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性。2020年8月份，該磁偏置超導限流器長期掛網(wǎng)試點示范應(yīng)用被納入國網(wǎng)遼寧省電力公司2021年科技項目規(guī)劃中。
此次，羅徹斯特大學研究團隊將可以實現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15 攝氏度。然而，這種室溫超導是在金剛石“砧板”制造的267吉帕（Gpa）高壓下實現(xiàn)的，相當于200多萬倍標準大氣壓，很難談得上實際應(yīng)用。
金剛石頂砧高壓裝置下實現(xiàn)室溫超導
但是，研究團隊也在論文結(jié)尾處指出，通過微調(diào)化學成分等技術(shù)手段來降低所需壓力，未來有可能會實現(xiàn)大氣壓下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的室溫超導體。
如果未來真的實現(xiàn)了常溫常壓超導，會為我們的經(jīng)濟社會發(fā)展帶來哪些應(yīng)用？
首先，電網(wǎng)不會再因為電線中的電阻而造成電的損失和浪費，全球化電力供應(yīng)也有可能實現(xiàn)；
其次，有可能開發(fā)出速度比飛機還要快的磁懸浮列車；
另外，也可以對磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）機器、量子計算機等運用超導電磁元件的機器進行進一步的技術(shù)升級，為醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻。
未來，人類可能會進入“超導社會”，到那時，人類社會在能源、交通、高精度儀器和生物醫(yī)學等各個方面可能都將發(fā)生深刻變化。
參考資料：
[1]Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z
[2]http://www.chinapower.com.cn/tech/20191218/1293344.html
[3]諸嘉慧,張會明,陳盼盼,張宏杰,丘明.10kV混合式磁偏置高溫超導限流器性能實驗研究[J].低溫與超導,2020,48(09):36-41.
