題圖來自：視覺中國
LK-99 ——本來有望改變世界的紫水晶——在多項研究證實其并非超導體後，對它的狂熱也告一段落。但它留下了一個問題：真正的室溫超導體能帶來巨大突破嗎？
答案是要看情況——既取決于應用方式，也取決于這種假想材料是否還具備其他關鍵性質。但至少在一些科學領域，尤其是那些使用強磁場的領域，更好的超導體很有可能會産生巨大影響。
超導體是指能在特定溫度下開始無電阻傳輸電流的材料，因此不會産生廢熱。但是，當前所有經證實的超導體隻能在低溫或極端壓強或同時滿足兩種條件的情況下實現超導。一些科學家正在尋找能在室溫和常壓這種常規條件下轉變成超導态的材料。
美國 Commonwealth Fusion Systems 公司建造的這個超導磁體是全球最強大的超導磁體之一，目前正用于研發核聚變技術。來源：Gretchen Ertl， CFS/MIT-PSFC， 2021
雖然當前超導體對低溫的要求極大限制了它們的日常用途，但這種材料在實驗室裏已經無處不在，研究人員有各種手段給它們降溫。這是可操作的，但通常會增加實驗的成本和難度。
位于瑞士日内瓦近郊的歐洲核子研究組織（CERN）的加速器——大型強子對撞機（LHC）——就是一個極端例子。爲了讓質子在 27 千米長的環形隧道裏持續運動，LHC 用溫度隻有 1.9 開爾文（– 271.25 ºC）的超導線圈産生強磁場。這需要用到一個含 96 噸液氦的低溫系統——世界上最大的同類低溫系統。CERN 的核工程師、磁研究員 Luca Bottura 說：" 如果極低溫不是必需，整個工程就能簡化。"
那麽，一個室溫或近室溫工作的超導體就能快速變革多個科學領域，對嗎？還沒這麽快。
量子問題
以量子計算機爲例，這項仍在發展初期的技術有望以超越經典計算機的能力解鎖特定任務。構建量子計算機的一個主要技術是将信息儲存在超導材料環中。這些環在類似俄羅斯套娃的稀釋制冷機中冷卻至接近絕對零度（−273.15 ºC）。
在基于超導體的量子計算機中，即使溫度上升不到 1 度，性能也會因爲與超導性無關的原因而快速下降。量子計算對任何噪音都極度敏感，而熱振動是它的大敵，會産生 " 準粒子 "（quasiparticle），超導量子計算的共同發明人、日本理化學研究所的物理學家中村泰信（Yasunobu Nakamura）說，" 在約 100-150 毫開爾文（millikelvin）時，我們已經開始看到熱激發的準粒子的對抗性效應。"
其他用例中，實驗本身可能并不需要極低溫，但超導體可能依然要保持在比超導轉變溫度（稱爲 Tc）低很多的溫度下。超導體的物理性質各不相同，在許多應用中——特别是高磁場磁體——另外兩個特性十分關鍵：臨界電流和臨界磁場。超導性不僅會在溫度升高時消失，如果一種材料要輸送大于一定量的電流或是暴露在足夠高的磁場下，超導性也會消失。
關鍵是，臨界磁場和臨界電流都與溫度相關：溫度越低，材料能承受的電流和磁場就越高。所以，超導體的 Tc 很高，并不意味着它能在低于 Tc 的任何溫度下實現超導。在許多應用中，超導體的性能會随着系統的降溫而提升。
好在，如果溫度夠低，目前已發現的最佳超導體也能承受很高的磁場，包括名爲銅氧化物（或稱銅酸鹽）的一類超導體。
實地實驗
4 年前，美國國家強磁場實驗室（NHMFL）用一種銅酸鹽打破了恒定（而非脈沖）磁場的強度紀錄。NHMFL 的超導線圈産生了 45.5 特斯拉（tesla）的磁場，但它們必須浸沒在液氦中，也就是溫度保持在 4.2 開爾文以下。NHMFL 的首席科學家、物理學家 Laura Greene 說：" 我們使用高 Tc 的超導體不是因爲它們的 Tc 高，而是因爲它們的臨界磁場高。"
美國普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的機械與電子工程師 Yuhu Zhai 說：" 如果你想要一個高磁場磁體，你就要在盡可能低的溫度下工作，因爲這樣才能得到真正的超導性。"
CERN 正在嘗試構建一種未來的粒子對撞機，有望以 7 倍于 LHC 的能量對撞質子，物理學家希望能在這個能量範圍内發現新的基本粒子。爲了達到更高的能量，必須用更高的磁場或用更長的環形加速器或兩者結合來給粒子加速。爲了打造這類加速器，物理學家希望能在 LHC 的環形隧道旁再挖一個最長 100 千米的環形隧道。但即使有了這麽大的環，類似 LHC 的超導磁體——有铌钛線圈的 8 特斯拉的巨型磁體——也無法産生需要的磁場，也就是大約 16-18 特斯拉。Bottura 說：" 目前而言，我們肯定要用其他材料。"
當前高 Tc 超導體也許可以，但可能要維持在液氦溫度才行。中國提出的一個類似加速器——環形正負電子對撞機——也要使用高 Tc 磁體。中國科學院高能物理研究所所長王贻芳說：" 我們考慮高溫超導材料有一段時間了，主要是銅氧化物和鐵基超導材料。"
臨界電流
不過，銅氧化物超導體也有其他缺陷：它們屬于生産成本很高的脆性陶瓷材料，制成電纜的成本也很高。它們的臨界電流也太低，王贻芳說，另一類鐵基超導體原則上隻需銅氧化物一半的成本，但表現更好。
Bottura 等人正在探索一類全新加速器的可行性。通過用 μ 子（類似電子但質量是其 207 倍）取代質子，可以和 100 千米的質子 - 質子對撞機研究同一類物理學問題，但這個環會小很多，甚至小到能直接放入 LHC 的現有隧道。讓 μ 子進入環形隧道就不需要很強的磁場。但問題是，獲得具備正确特性的 μ 子束可能需要 40 特斯拉的磁體。
在這個強度下，Bottura 說，" 問題不再是超導體，而是如何固定線圈。" 電磁線圈内的電流容易把磁體推開。在 40 特斯拉時，即使是韌性最好的鋼也無法承受機械應力。這種磁體可能要用更強的材料才能固定住，如碳纖維。（強度要求不像 NHMFL 的磁體這麽嚴格，後者需要在隻有幾厘米寬的空間裏産生高磁場。）
因此，無論是質子還是 μ 子對撞機，一個遠超現有性能的超導體能帶來巨大突破，當然，其他工程學挑戰也會随之而來。
邁向核聚變
結構強度已經對另一類裝置構成了嚴重限制，這些裝置的目标是利用核聚變能。一項經過長期驗證的核聚變技術用排成甜甜圈形狀的磁體約束等離子體——即托卡馬克（tokamak）。這種等離子體被加熱至數百萬度的高溫，從而讓氫的各種同位素碰撞。全球最大的實驗性托卡馬克名爲 ITER，目前正在南法建造，将使用液氦冷卻的大型磁體産生近 12 特斯拉的磁場。
不過，工業實驗室或公共資助的實驗室都在設計基于高 Tc 超導體的托卡馬克磁體，原因有很多，Zhai 說。更高的磁場有望極大提升聚變反應堆燃燒燃料的速度，因此也能提高産生的能量——至少在原理上如此，因爲提取聚變能的許多關鍵步驟仍有待演示。工業實驗室在提高 Tc 磁性材料産量上的一個積極進展是它們的成本已經降低了。（但依然比铌钛材料貴很多。）
Zhai 說，除此之外，托卡馬克應該擺脫液氦冷卻，這不單單是因爲冷卻系統的構建很複雜。氦是一種稀缺資源，建造數百個需要它的 ITER 大小的反應堆根本不現實。
Greene 說，尋找更好的超導材料有很高的風險，目前的成功都是可遇不可求。不過她說，" 雖然很難，但也令人向往，它能改變全世界。"
原文以 How would room-temperature superconductors change science? 标題發表在 2023 年 9 月 1 日《自然》的新聞版塊上
本文來自微信公衆号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Davide Castelvecchi
