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它真的是个带有科幻属性的未来吗？ |
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室温超导真的来了吗？让子弹再飞一会儿 |
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美国时间3月7日，在美国物理学会会议上，美国罗彻斯特大学学者Ranga Dias宣布在近1万个大气压下实现了室温超导。该研究瞬间出圈引发热议。
3月9日晚，在科学网的微博直播活动中，中科院物理所研究员罗会仟（中国科学院物理研究所研究员、博导、科普作家，主要从事高温超导和磁性材料的中子散射实验研究）和@Angela火星小姐姐、中国科学报孙滔探讨了热搜话题“室温超导真的来了吗”。
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问：室温超导在美国物理学会会议上“火”了，除了科学家，很多投资人也都在议论这个话题。请罗老师讲讲，它真的是个带有科幻属性的未来吗？这个未来到底是什么样？
罗会仟：说到室温超导，大家可能很难一下子想象它是什么。
第一部《阿凡达》电影里有这样一个场景，潘多拉星球上的山是飘在天上的，在该星球室温下，山里面有一种神奇的矿石可以让整个山悬浮起来，特别壮观。地球上没有这种矿石，于是地球人为了获取这种室温超导矿，就和外星人起了冲突。
超导材料有两个特殊的性质，第一，它的电阻是零；第二，它有完全的抗磁性。它的本质是热力学的相变，而且它是宏观的量子现象。
将来磁悬浮列车可以变成超导的，速度会很快，也比较稳定。很多磁铁可以用超导体来做，能做得很强、很均匀，可以用来做人工的可控核聚变，甚至污水处理。还有很多量子的应用，比如量子计算。如果我们找到室温超导材料，可以想象我们的生活到处都会是超导体，就像今天我们离不开半导体一样，手机、电脑、灯……到处都是半导体，这些东西可能将来都会变成超导体的，所以大家很激动。但我先给大家打个预防针，不要那么激动，后面我再解释为什么。
问：一个天真的问题：我们说实现室温超导是很难的，那冬天会不会容易一些？
罗会仟：冬天很冷，比如东北、西伯利亚，甚至南极，可以达到零下90摄氏度。那么，冷的地方是不是更容易实现超导？确实是，但是也不那么容易。
举个例子，第一个发现的超导体是金属汞，就是体温计里的水银，它的超导温度是4.2 K，换算成摄氏度就是-268.8℃，地球自然环境根本就达不到这种低温。所以说一般超导体需要的温度实在是太低了。
问：所以说我们提到的低温，和科学家所说低温超导概念中的低温，差别是很大的。我们现在已经有磁悬浮列车了，这个和超导的磁悬浮列车能比吗？
罗会仟：磁悬浮列车有2种技术。一种是常规的电磁悬浮，就是两个电磁铁的排斥或吸引，把整个列车给悬浮起来。这种技术需要通很大的电流，列车速度其实不太快，我们国内北京、上海、长沙都有，但这些磁悬浮线的速度还不如高铁，是中低速的常规磁悬浮。另外一种就是超导磁悬浮，可以是高速的磁悬浮，日本正在建设商业化的全超导磁悬浮，速度可以达到600公里每小时，比我们现在的高铁速度快将近一倍。
罗会仟：达到几千公里每小时要复杂一点，把空气阻力去掉才行，要把整个列车放在低真空管道里，技术要求要高得多。
问：如果达到3000公里每小时的话，飞机就不用了。
罗会仟：假设轨道特别完美，理论上可以达到3000公里每小时，比飞机快太多了，飞机的平均速度是900公里每小时。不过这么快的速度你敢坐吗？其实用来发快递是挺好的。
问：回到美国物理年会上的新闻，Dias Ranga进行的是一个怎样的研究？它真正的突破点在哪里？
罗会仟：假设他们的工作是对的，这个研究的突破点是20℃以上，基本已经是室温了，以前从没达到过这么高温度的超导体。探寻这类金属氢化物高温超导体有一个常用的方法，也是这个文章里采用的，叫做金刚石对顶压砧，可以达到500万个大气压甚至更高。
在这样高的压力下可以得到一些常压下不稳定的结构，在此基础上，你就可以发现有些材料是超导的，而且超导温度还很高。从2015年开始，德国科学家报告硫化氢（不是我们熟悉的硫化氢，是三个氢的硫化氢）超导的温度很高，是202 K。
后来美国和德国科学家又发现“LaH10”（十氢化镧）这种材料超导的温度也很高，260K左右，是零下13℃，快接近室温了。
这些氢化物的超导都需要百万级以上的压力才能实现，但这篇《自然》的文章里，到一万个大气压时，超导温度可以达到20 ℃。这是大家非常激动的一点，即不需要借助那么大的压力就可以实现超导，而且是室温超导。这两点是它最重要的进展，也是大家最关注的地方。
罗会仟：他们的材料并没有很特殊。科学家找到LaH10后，很多科学家把稀土元素全部找一遍，跟氢组合，组合方式有很多，但一般来说都是5个氢、6个氢，甚至更多的氢。
从2019年发现镧氢石超导到2022年，这两三年时间科学家找了十几种稀土元素，还有一些碱土金属，比如钡、锶、钙等，与氢组合，这些金属氢化物许多是超导的。Dias用的是稀土镥（Lu）和氢组合，里面加了一点氮，我们叫“卤蛋氢”（镥氮氢），里面有3种元素，和我们常规研究的金属氢化物还是不太一样。
问：所以它是稀土元素以及氮、氢排列组合的发现，那么理论上是不是这种可能的元素排列组合有无数个，都去筛一遍是不是会有更大的成功？
罗会仟：对，你要去筛选，但实际上它能够稳定存在的结构并不是那么多，有些结构要求一些特定压力，它才会稳定，你要通过计算先去猜。这个文章用到了AI来帮助计算去寻找材料，现在的AI计算能力很强，这也是能做这件事的主要原因。找到以后，实验上的实现也没有那么容易。
这篇文章没有公布材料合成的细节，特别是材料的真实元素配比不知道，仅仅从理论上猜测出材料的结构大概是什么样子。
问：到今天，超导研究变成了技术的问题，而不是纯理论科学的问题了，是这样吗？
罗会仟：这个理解是错误的。听起来好像有现成的计算工具，算一算、找一找，在技术上你就能做出来，因为我们用来算的理论是非常简单的，是超导里面最成熟的理论，叫BCS理论，在1957年左右就提出来了。但它是有局限性的，只能描述一些基本的超导现象，比如单质的金属，一些合金和一些金属氢化物等等。
许多超导体不能用这个理论来描述，叫做非常规超导。高温超导体（40 K以上的超导体）通通都是非常规超导体，不能用常规BCS理论描述，也几乎无法用AI预测出来。
问：随着材料研究的进步，有些理论是要更新的，并不是说一个理论放在那里套用就行了。
罗会仟：是的，1950年代的理论放到今天很多地方都不适用了。就像经典物理中，从单体物理到三体物理就存在巨大的挑战。
科学家发现，在实际的材料里面，面临的研究对象是很多的，它里面的电子至少是10的23次方个，这么大的数量级怎么处理？你可以写方程，但是写出来解不了。我们可以先不考虑粒子之间相互作用，或假设可以用微扰来处理，这样勉强借助材料的周期性，可以大大简化方程。
一旦考虑粒子之间相互作用就更麻烦，每个粒子都有各自的复杂相互作用，那方程就变成了几乎无解。对于多体物理问题就要跳出原来的思维模式，我们能不能上来就写一群粒子的运动方程？
目前还没有很完善，有一些基本的雏形，但还是感觉不太好用，我们现在的计算能力也跟不上。
问：超导现象从1911年被发现，100多年了，那么多伟大的科学家都在做这个事情，为什么是Dias，一个年轻的斯里兰卡学者做出来这个东西？
罗会仟：其实超导的门槛挺低的，最早我们合成超导材料很简单，就是把各种元素混一混，找一找有没有稳定的结构，测一测，在物理研究基本上都是套路，只要会些基本化学知识，都是可以来做的。
不过Dias这套技术还是有点挑战。首先他在博后期间做的高压需要几百万个大气压，用金刚石对顶砧在高压高温下来合成样品，并在更高压力下进行测量，还是有技术难度的，不是大家想象的那么容易。
问：Dias科研历史不是一路畅通，在2017年和2020年都遭遇了一些质疑。第一次说他的研究材料丢了，不能重复实验；2020年又发生了《自然》撤稿的事情，对他的科学声誉影响很大。从业内的角度来看，你觉得何时会有确定的结论？
罗会仟：大家对他的信任度不是很高。他2017年在博士后期间宣称发现了金属氢。实验物理学家花了80多年的时间都没实现，怎么就在他手上成功了？大家可能是又激动又有点嫉妒，不过后来实验也没被重复，金属氢就成为一桩悬案。
他真正去找氢化物的超导是在2020年，做的是碳氢硫超导。他的文章没有公布分子式（即材料的具体结构），只说了有这3个元素，数据也显得过于漂亮。因为在那么高的压力下测量是非常困难的，实验数据的噪音一般很大，他给的数据反而很干净。
别人就质疑这个数据怎么来的，这就产生了一系列的争议，而且相关的结果也没有被其他研究组重复出来。争议的结果是：在2022年文章被《自然》单方面撤稿，而文章所有的作者都不同意撤稿。
这次是第三次了，出来的数据也是很好。他给出了所有完整的数据，在《自然》网站上，有兴趣的朋友可以去下载他的原始数据，仔细分析一下他到底是怎么得到文章数据的。
其实从去年他在某次会议报告相关结果开始，不少研究组就已经在重复实验了，我觉得用不了太长时间，大家就会公布自己到底有没有重复出结果。咱们拭目以待，看看到底是真是假。
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直播截图。依次为：孙滔（左）、@Angela火星小姐姐（右下）及罗会仟（右上）
问：比如生物学实验发了论文，别人很快要重复。Dias的超导研究为什么别人做不出来呢？
罗会仟：确实，原则上来说我们做实验至少有实验记录，操作设备也有一些实验记录的痕迹。那你把实验记录的条件重复一下，或者把它交给别人重复一下，应该是不难的事情。
当然大家期待的金属氢需要近500万个大气压的压力，实际上用金刚石压到400万个大气压以上就已经非常困难，全世界能做的研究组没几个。他当时宣布的金属氢是在495万个大气压之下实现的，大家要重复的话，门槛也挺高，包括碳氢硫这个事情。前面提到，超导材料可以通过理论计算，推测出来它有可能的结构，这种计算基本上能准确算出二元化物（2个元素）的结构，3个元素的就不太好算了。科学家还是尽量去算，但在碳氢硫体系算出来的结果，几乎没有能达到这样高温超导的材料。
问：那今天这个三元化合物，是20℃的，是不是就容易重复了？
罗会仟：不仅是20℃，还有它的压力很低，只需要1万大气压，重复起来就容易得多。1万个大气压在实验物理中是比较轻松能达到的参数，不需要非得用金刚石来压，可以用一些便宜的装置。如果给出材料，验证起来是比较容易的，很快就能出来。
问：那我们可以让子弹再飞一会儿。罗老师跟Dias有过接触吗？对他有什么印象？
罗会仟：我个人跟他没有交集。他是研究高压物理的，不只是研究超导；而我是专门研究超导机理的，是材料发现之后干的事情。我们的研究领域还是差距有点大的。
Dias的工作一直都是神神秘秘的，包括那天会议上，主持人特别强调不允许提问。听说一些现场的同行在报告间隙时抓住他提了几个问题，他没有正面回答问题，后面做报告的时候也没有过多交流。很多科学家都很兴奋，想去找他拿样品，估计都没拿到，也不知道他去哪了，挺神秘的一个人。
问：如果善意猜测，这种神秘可能是因为他有商业诉求，要保密或保护专利之类的。但是作为科学发现来说，这种做法不符合可重复、可验证的科学原则。
罗会仟：一般来说，如果科学家发现一种材料是超导体，即使他不是做超导的，他都很乐意把材料寄给别人合作，因为他能做的研究手段毕竟是有限的，只有激发同行的兴趣，才能吸引更多的关注。
问：不过Dias这篇文章已经在《自然》发表了，有同行评议的过程，这意味着至少有些专家已经讨论过。
罗会仟：他在报告的时候好像说文章已经经过了5轮审稿。我不知道具体的审稿过程，但是如果觉得数据有问题，也可以再请别的专家继续验证，当然能否被其他研究组重复验证，是非常重要的。
Dias今年这篇文章似乎很难找到可辩驳的地方，尤其是他正文里面的数据，太全了。如果这些数据都是对的，你就很难找到理由拒绝他这篇文章，不过实验数据到底有没有问题，需要更加专业的人去真实地判断。
问：我们看下一个问题，超导研究的历史中有一些很重要的节点，也有华人科学家做出了突出贡献。能梳理一下这个过程吗？
罗会仟：中国科学家在整个超导研究中都处于世界前列，尤其是超导材料和超导机理方面，当然超导应用这几年也做得非常好。
早在上世纪六七十年代，中科院物理所就已经在研究超导了，那时候还没有高温超导，大家研究用常规超导体做一些超导应用。正因为中国很早就有这方面的科研队伍，在1980年代时，瑞士科学家发现铜氧化物高温超导现象后，中科院物理所赵忠贤老师的团队很快发现了90K以上的铜氧化物超导体。
这个发现的意义非常重大，因为以前的超导体都是40K以下的，没有经典理论的上限，即使是瑞士人发现的镧钡铜氧体系也只有35K。赵老师等发现的钇钡铜氧材料可以达到90K以上，超过了液氮温度（77 K）。因为液氮非常便宜，制冷成本就大大降低了，这个发现的重要性是不言而喻的。
在2008年，中国科学家又做出了贡献——铁基高温超导。铁基高温超导是日本人最早找到的材料，但起初温度只有26K。赵忠贤院士带领中科院物理所团队，还有中国科大等国内团队，在一个月内把最高温度提升到55K，许多铁基超导材料物性的第一次测量都是中国人做的，目前来看铁基超导材料有极大的应用价值和科研价值。
由于在铜基超导方面几十年的积累，当时我们的实验技术和理论方面都非常强。到现在为止，中国科学家在超导的国际舞台上都有非常重要的角色，尤其是近几年达到了前所未有的顶峰状态，有很多新的超导现象、高端论文、前沿应用都来自中国，我相信未来中国超导的发展会越来越好。
问：这篇室温超导论文的作者已经成立了公司，也申请了专利。以此来推测，不给出实验样品或材料，他们是故意藏着掖着，还是真的掌握了技术，想去做商业化的使用？假如我们中国掌握了技术，我们会怎样分享它？
罗会仟：愿不愿意分享纯粹是个人行为。我觉得他不愿意把材料告诉大家，有一种可能性是他自己压根没有研究清楚。他确实注册了公司，是否有利益方面的考虑也无可厚非。
原则上说，在基础研究领域，保持开放合作交流的态度是第一位的。如果你不开放、不合作、不交流，你就会永远受到别人的质疑。当然我想特别提醒大家，这个东西出来后并不意味它以后的经济价值就有多大，大家不要那么着急，因为一个材料从出来到应用，路还特别远。
问：如果Dias的研究是成立的，这个领域会很快成为创业或投资的热点吗？会不会形成国家之间的竞争？会不会被美国垄断？
罗会仟：不用担心被垄断。我们假设业界真的做出来常压下能用的室温超导，它里面有重要的稀土元素镥，是我们的国产货，中国是稀土大国。
这几天也有不少投资人问我。我是希望大家能够冷静下来，因为从材料走到产业化要克服很多困难。我具体说说，其实并不是常温常压下它超导了就能用了，因为超导体还有3个重要参数——临界温度、临界磁场、临界电流密度。
临界温度和临界磁场不能太高。临界电流密度怎么理解呢？大家可以想象，一个材料如果电阻是零，根据欧姆定律，电流可以无穷大，但这个说法肯定是错误的，任何材料电流的密度都不可能是无穷大。
超导也有电流密度的上限，一旦超过，瞬间就会“不超导”。3个临界参数当中，超过任何一个都会瞬间“不超导”，就会产生电阻。材料在很大电流的情况下突然来了电阻，会很快发热，温度上来，它就越发“不超导”了。这是很危险的，因为通常低温超导体泡在液氦里面，液氦瞬间汽化是非常可怕的。
这3个参数是物理上的考虑，工程上还有更多条件的约束。一条线绕成螺旋管很简单，但更复杂的螺线管就不那么好说了。超导线应用的第一步是做电缆，好几股线像编辫子一样绕成缆，这个过程就不能让它的指标下降，但你一拽，它变形了，指标还不能下降，这是很困难的。
所以理想化的指标放在实际的应用场景，会下降几个数量级。所以发现了材料也不一定用得上。事实上我们现在已经找到了上万种超导材料。这么多超导材料哪个好用？事实上，还是大概几十年前发现的铌钛合金，又结实又好用，它的超导温度非常低，全球超导产业的绝大部分情况还在用铌钛线或铌三锡这种传统材料。
问：回到我们今天的话题：室温超导真的来了吗？是否可以设想，在我们能触及的生活里，比如未来50年室温超导的应用情况？
罗会仟：其实我们今天已经在用超导了。大家去医院做核磁共振，要把身上的金属物品都摘掉，核磁共振的大圆圈就是超导的磁体。现在医院大部分核磁共振是3个特斯拉的，几乎都是超导磁体，而且不少是国产的。
为什么用超导磁体来做核磁共振呢？因为超导磁体那么大的线圈能提供很强的磁场，而且做核磁共振还要求有一定的磁场梯度，精度要求很高。
还有个好处，它的线圈是泡在液氦里面的，闭合的线圈，通常电流就在里面跑，就不用再通电了，可以省电，只需要消耗点液氦而已，相对来说成本是降低的。
十几年前，核磁共振非常贵，要几千到一万块钱，一般人做不起；现在几百块钱就能做了。我希望未来核磁共振可以做到更好。现在7个特斯拉可以实现商业化，12个特斯拉是有做动物实验的，将来希望能做到14个特斯拉。14个特斯拉的分辨率可以达到亚微米级别，可以分辨我们的神经元细胞，可能在未来十几、二十年就可以实现了。
所以大家不用觉得超导技术离我们很远，还有个典型的应用——超导输电，零电阻，不发热，无损耗。实际上它成本还是很高，因为你要用超导，需要低温，制冷机、包括电线本身还有成本，单个来讲，比普通高压输电成本高。但我们已经在用。
深圳第一高楼平安大厦的地下就埋了一条高温超导的电缆，今年已经试运行，为什么这么做呢？这么一座大楼的耗电量很大，你用高温超导的电缆，可以在通很大电流的情况下，没有损耗，不发热，是非常方便的。那为什么要用这么贵的呢？
很简单，深圳的地价很贵，如果在地面上架电线，周围多少米之内不能盖房子，地皮就损失了很多钱；而超导电缆是埋在地下的。再加上现在有很便宜的国产GM制冷机，几万块钱就可以买一个。总体成本算下来，比地皮便宜不少。
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