科技日報記者 孫瑜

前不久，中國科學(xué)院院士趙忠賢、陳仙輝因?qū)Ω邷爻瑢?dǎo)材料的突破性發(fā)現(xiàn)和對轉(zhuǎn)變溫度的系統(tǒng)性提升所做出的開創(chuàng)性貢獻，榮獲2023年未來科學(xué)大獎-物質(zhì)科學(xué)獎。

【資料圖】

8月23日，騰訊新聞《一起來嘮科》邀請中國科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所所長張富春、中國科學(xué)院物理研究所研究員向濤、南京大學(xué)物理學(xué)院教授聞海虎、清華大學(xué)物理系教授王亞愚、中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任袁嵐峰解讀2023年未來科學(xué)大獎-物質(zhì)科學(xué)獎，共話超導(dǎo)前沿議題。

室溫超導(dǎo)是超導(dǎo)研究者的夢

室溫超導(dǎo)在今年引發(fā)了兩次震動。

3月7日，來自羅切斯特大學(xué)的蘭加·迪亞斯副教授團隊宣稱在一種摻氮的镥氫化物中發(fā)現(xiàn)近常壓下的室溫超導(dǎo)。7月底，韓國一項研究聲稱發(fā)現(xiàn)全球首個室溫超導(dǎo)材料LK-99，引發(fā)廣泛討論。

實際上，這兩項“發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)”的研究都不成熟。

“我個人沒有把這兩項研究太當(dāng)真，因為他們的研究沒有給出嚴肅的證據(jù)，且研究數(shù)據(jù)處理得很不認真。”張富春表示。

韓國團隊論文演示視頻的截圖。圖源：中新網(wǎng)

“韓國的研究都沒有正式在物理期刊上發(fā)表，也沒有一個證據(jù)能證明LK-99是超導(dǎo)體。它提供的視頻中，LK-99樣品一端是接在磁鐵上的，根本不能證明樣品有抗磁性。”向濤說。在他看來，韓國團隊的研究談不上被判“死刑”，它是一個“假象”，從開始就“沒活過”。

超導(dǎo)體是在特定溫度以下“電阻為零”且具有“完全抗磁性”的材料。特定溫度，也稱為超導(dǎo)臨界溫度。臨界溫度比40K（40開爾文，即零下233.15℃）高的材料，被認為是高溫超導(dǎo)體。

目前超導(dǎo)臨界溫度的最高紀錄，是由美國科學(xué)家馬杜里·索馬亞祖魯在2019年宣布的。在190萬個大氣壓下，十氫化鑭（LaH10）可在逼近室溫的260K（零下13℃左右）出現(xiàn)超導(dǎo)性。

“室溫超導(dǎo)是超導(dǎo)研究者的夢。”張富春說。高溫超導(dǎo)材料在能源、量子計算、磁懸浮交通、核聚變等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但維持低溫環(huán)境的成本很高。如果能實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，無疑將大大降低工業(yè)應(yīng)用成本。

歷史上的“室溫超導(dǎo)體”。圖源：中科院物理所

據(jù)不完全統(tǒng)計，歷史上聲稱室溫超導(dǎo)（接近或高于300K）的次數(shù)不少于7次，都未得到證實或被學(xué)界質(zhì)疑。

未來，我們會找到常壓下的室溫超導(dǎo)材料嗎？聞海虎認為：“沒有任何理論否定可能會找到常壓下的室溫超導(dǎo)體，也就是說常壓下的室溫超導(dǎo)不存在理論上的障礙。”

“非同尋常的宣稱需要非同尋常的證據(jù)。”袁嵐峰表示，至少面對下一次“宣稱”，希望研究者提供嚴謹科學(xué)的論證。

發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)和應(yīng)用超導(dǎo)之間有距離

1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)在零下269℃的環(huán)境中，汞的電阻降為零，開啟了物理學(xué)家們對于超導(dǎo)的研究之路。112年來，超導(dǎo)不斷帶給研究者驚喜與挑戰(zhàn)，也成為物理學(xué)研究中重要的研究方向。

為何如此多科學(xué)家癡迷超導(dǎo)研究，超導(dǎo)材料又有哪些重要應(yīng)用？

袁嵐峰指出，一切用到電和磁的地方都可以用到超導(dǎo)體。在輸電過程中，超導(dǎo)體因其“零電阻”特性可節(jié)約電能損耗。但在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料和應(yīng)用超導(dǎo)材料之間，仍有不小的距離。

“核聚變領(lǐng)域目前應(yīng)用的還是特別古老、臨界溫度還不到40K的超導(dǎo)材料。”袁嵐峰介紹，受成本和具體使用環(huán)境的制約，“20世紀80年代發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)材料，直到最近幾年才在核聚變領(lǐng)域得到小規(guī)模使用。”

袁嵐峰說：“這表明，將超導(dǎo)材料實用化花了30多年。較銅氧化物更晚發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體，預(yù)期大規(guī)模應(yīng)用也得幾十年后了。”

不少人相信，發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體將帶來新一輪工業(yè)革命。

“室溫超導(dǎo)能不能引起一場工業(yè)革命得考慮穩(wěn)定性和成本。”向濤認為，如果室溫超導(dǎo)體穩(wěn)定性好，成本不高，應(yīng)能帶來一場工業(yè)革命。

袁嵐峰則認為，不宜將預(yù)期抬得過高。“即使一切按照最好的劇本發(fā)展，室溫超導(dǎo)體成本低、穩(wěn)定性好，恐怕大規(guī)模應(yīng)用也得數(shù)十年。”

目前，超導(dǎo)研究者們正努力探索兩個關(guān)鍵問題：一個是凝聚態(tài)物理學(xué)界“皇冠上的明珠”高溫超導(dǎo)機理難題；另一個則是找到更多高溫超導(dǎo)甚至室溫超導(dǎo)體。

“過去40年的經(jīng)驗表明，發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)體的周期在變短，或者說頻率在加快。”向濤估計，未來發(fā)現(xiàn)新高溫超導(dǎo)材料的可能性在變大。

“有意思的是，很多新超導(dǎo)體是由不做超導(dǎo)的研究人員發(fā)現(xiàn)的。”王亞愚表示，希望科學(xué)界其他領(lǐng)域的科學(xué)家們關(guān)注超導(dǎo)問題，帶來新鮮想法和思路，“期待他們能夠做出超導(dǎo)領(lǐng)域?qū)＜易霾怀鰜淼闹卮笸黄啤！?/p>

超導(dǎo)研究需要熱愛與堅持

圓桌討論會上，院士專家們向2023年未來科學(xué)大獎“物質(zhì)科學(xué)獎”獲獎?wù)呲w忠賢、陳仙輝院士表示了熱烈祝賀。

銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體，是高溫超導(dǎo)材料里重要的兩類。在銅氧化物方面，趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的團隊獨立發(fā)現(xiàn)了第一個液氮溫區(qū)的超導(dǎo)材料。在鐵基超導(dǎo)體方面，陳仙輝研究組首先將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到麥克米蘭極限之上，證明鐵基超導(dǎo)體確實是非常規(guī)的高溫超導(dǎo)體，而趙忠賢研究組創(chuàng)造了在塊狀材料中超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀錄。

趙忠賢和陳仙輝對于高溫超導(dǎo)的物理機制做了大量系統(tǒng)性的研究，在過去數(shù)十年內(nèi)推動了高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展。

“熱愛”與“堅持”是與會專家對趙忠賢和陳仙輝最深刻的印象。

張富春提到，趙忠賢院士是中國高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的代表，也是研究高溫超導(dǎo)的帶頭人。“他的性格中有一種自信，對于自己相信的事情是堅持不懈的，我認為這對科學(xué)家，特別是實驗物理學(xué)家而言是非常重要的。”

“趙忠賢院士大學(xué)畢業(yè)后就在做超導(dǎo)研究，即使在20世紀60-70年代幾乎沒有什么實驗條件的情況下，他都沒放棄過。”向濤回憶，“陳仙輝院士也是這樣。21世紀初，國家在科技方面的投入不斷增加，很多做材料探索的人轉(zhuǎn)行做一些短期更容易見成效的研究去了，但陳院士沒有，還是專注于他的超導(dǎo)研究。”

向濤感慨：“他們能取得成果并不是靠運氣，而是靠堅持和對理想的不懈追求。”

“熱愛和堅持是做好科學(xué)研究的根本。趙忠賢院士幾十年如一日，堅持在新型高溫超導(dǎo)材料方面工作，就體現(xiàn)了這一點。”聞海虎說。他至今還記得，趙忠賢院士有一次走進自己的辦公室說，在超導(dǎo)研究很困難的時候，堅持是最重要的，要在堅持中積累經(jīng)驗，完善條件，等待機會，實現(xiàn)突破。

王亞愚提到，趙忠賢和陳仙輝院士激勵并推動了青年一代超導(dǎo)領(lǐng)域研究者的發(fā)展。

“我上中學(xué)的時候，時事政治就考到中國科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得重要突破，說的是趙忠賢院士的工作。”王亞愚回憶，自己受到激勵和影響，最后走上了高溫超導(dǎo)研究的道路。

王亞愚坦言，很多年輕學(xué)者包括自己，在事業(yè)初期都得益于陳仙輝院士的交流指導(dǎo)。“他總有很多新的想法思路，每次和他聊總有新的刺激，這讓我很受啟發(fā)。現(xiàn)在，陳老師組里的年輕人都發(fā)展得很好，我想也是因為他給年輕人提供了很多無私的幫助。”

與會科學(xué)家們一致表示，希望通過對2023年未來科學(xué)大獎“物質(zhì)科學(xué)獎”獲獎成果的解讀，讓更多人關(guān)注我國超導(dǎo)領(lǐng)域科研工作，期待更多年輕人熱愛科學(xué)，投身科學(xué)，為我國科學(xué)事業(yè)作出新的貢獻。

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