室温超导如果真的实现了，会开启第四次工业革命吗？
2024-11-19 阅读 27
室温超导技术的实现将会对许多领域产生深远影响，包括能源传输、医疗设备、电子设备等。室温超导的出现可能会带来更高效的能源传输系统、更先进的医疗成像设备、更快速的电子设备等。虽然室温超导技术的实现对于工业发展具有重要意义，但是否会开启第四次工业革命这一说法还需要更多的实际数据和实践来证明。总的来说，室温超导技术的实现将为人类社会带来巨大的变革和进步。
更新于 2024年11月21日
一直关注「室温超导」的朋友可能知道，在过去的2023年里，有两起「室温超导」的乌龙事件火爆了全网，直到今天仍旧被热议。第一个事件是在2023年3月7日，美国罗切斯特大学的迪亚斯（R. Dias）等人宣布发现了一种镥-氮-氢高压室温超导材料，在一万个大气压下可以出现294 K（约21 ℃）超导。第二个事件是2023年7月22日，韩国科学家宣称发现了首个常压室温超导材料，他们取名为LK-99，超导临界温度甚至接近400 K（约127 ℃）。这两起「室温超导」出现之后，在网络引起了极大的热议，大家纷纷猜测室温超导的发现是否能够推动第四次工业革命。但事实是 ，无论是高压室温超导的报道，还是常压室温超导的报道都被迅速证伪。要么是原始数据存在操纵造假的嫌疑，要么是数据质量低劣到根本不具有任何说服力，最终两个材料都被证实距离超导十万八千里。 所以，在回答这个问题之前，我们必须澄清，目前为止尽管有很多很多「室温超导」的报道，但没有一个是靠谱的。我们可以认为它们属于「USO」 （Unidentified Superconducting Objects）。 那么我们应该如何判断室温超导体呢？首先，我们必须清楚认识，判断一个材料是否属于超导体，必须同时具备两个电和磁的特征：一是绝对的零电阻，二是完全的抗磁性，二者缺一不可。
超导的两个判据 那么，为什么上述两个特征可以作为超导的判据？首先，第一个特征：绝对的零电阻。很多人认为只要材料具有零电阻效应就是超导体了。但实际上这是错误的，这样的材料并不是超导体，而是所谓的“理想导体”。理想导体指的是没有任何的杂质和缺陷的导体，随着逼近绝对零度，它的电阻会无限趋于零。区别理想导体和超导体非常简单，可以根据是否具有「完全抗磁性」来判断。对于超导体来说，无论是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，结果都是内部磁感性强度为零。但是对理想导体来说，如果先加磁场后降温，那么体内将残余相当一部分磁力线。严格来说，理想导体并没在实验中找到，所以并不存在电阻可以无限小的材料，但是可以存在电阻彻底为零的材料，这就是超导体。
看到这，有人可能会疑问：如果没有零电阻证据，只有抗磁信号，是否能作为超导体的判据？ 也是不行！超导体具有完全抗磁性，也就是抗磁体积为-100%，或者至少接近这个数值（注意抗磁体积不可能超过-100%）。如此强大的抗磁性，要远远超过了其他类型的物质，例如水仅有-0.0009%，自然界最强的抗磁材料石墨，也不过-0.041%。特别注意，磁悬浮并不能作为超导的判据，因为含水物质和石墨都可以悬浮起来，但是要么所需磁场很强（例如青蛙悬浮需要16-20T的磁场），要么材质本身很轻（例如热解石墨）。超导磁悬浮最大的特点就是，超导体既能“浮”在磁体上面，也能“悬”在磁铁下面，和普通材料的磁悬浮完全不同（主要是因为磁力线在超导体内部被钉扎住了）。
零电阻和磁悬浮不能作为超导的判据 可以肯定地说，目前发现的所有“室温超导体”，尤其是2023年出现的两起“室温超导”事件，没有一个是满足如上条件的。
接下来，我试图回答一下：室温超导如果真的实现了，为什么不会开启第四次工业革命？（1）室温超导可能完全不可用 由于超导材料具有绝对的零电阻和完全的抗磁性，而且又是一种宏观量子效应，所以它们在所有电和磁的领域，都有用武之地，也是量子时代不可或缺的关键材料。例如城市电网可以实现无损耗输电，强大载流能力的超导电缆可以实现强磁场，进而用于可控核聚变、粒子加速器、核磁共振成像、高速磁悬浮列车等，超导器件还可以用于数字电路、空间通讯、精密测量和量子计算等多个方面。但麻烦的问题是，目前发现上万种超导体，几乎没有一个是好用的。这是因为超导体不仅受到了临界温度Tc的限制，还受到了上临界磁场Hc2的限制，和临界电流密度Jc的限制。即使超导体电阻为零，其载流能力也不是无穷大的。这些临界参数其中任何一个被突破，超导态都将瞬间被破坏并产生电阻，结果是灾难性的。三个临界参数Tc，Hc2和Jc构成了超导体的“三维临界曲面”，很遗憾，大部分超导体这三个临界参数都不高！所以，即便找到了Tc在室温的超导材料，它的临界参数Hc2和Jc未必就很高，而极有可能非常低。换句话说，即使室温下可以超导，但这个材料却很难承载电流或承受外磁场，稍微通点电或加点磁场，超导态就被破坏了，它就完全不可用！
超导体的三维临界曲面
（2）室温超导并不能替代现有的应用超导材料 但三个临界参数，仅仅是超导体规模应用的基本门槛，在实际应用中，超导体不仅仅是满足临界温度高就可以的。实际应用中我们还需要考虑材料的化学稳定性、机械性能、是否有毒以及性价比的问题。实际应用中有各种特殊需求，即便我们有成千上万种超导体，但是对于特定的用途，能用的寥寥无几。例如量子计算的芯片目前只用铝，超导温度仅有1.2 K，工作温度甚至在mK量级。单光子探测和高频微波谐振腔，都依赖于高纯度的Nb或NbN，临界温度在10 K左右。尽管目前全超导磁体的世界纪录已经达到了32.35 T，但是实际上我们实验室常用的超导磁体都在9-15T之间，而用于加速器的磁体也仅有8.3 T，核聚变磁体大约5.3 T，fMRI的磁体常见的都是1.5T或3T，最高纪录也不过11.7T，而且能用于制造超导磁体的材料极其有限。
超导体的典型应用 也就说，即便我们有很多候选材料，但目前可实用化的超导材料很少，大约就是Nb、Nb-Ti、Nb3Sn、NbN、MgB2、YBCO、Bi2212、Bi2223等极少数的超导体已经步入实用化阶段。强磁场下的超导体载流能力随磁场增强是剧烈下降的。超导材料是否能够在强电和强磁下应用，取决于在强磁场下它的载流能力能否继续保持下去。只有温度越低，超导体的载流能力才越强，即便它是室温超导体，我们依旧倾向于在低温下用它，因为它更稳定且更好用！
实用化超导材料载流能力在磁场下的表现（3）室温超导即便能用，要实现规模化应用也需要时间，而不是立刻引起工业革命。
以1986年就发现的铜氧化物高温超导材料为例，它们存在各种难以克服的应用难题，比如各向异性度很大、抗拉伸能力很差、容易发生氧含量变化而不超导等等。事实上，科学家们努力了近40年，终于把铜氧化物做成层层包裹的带材，才勉强可用！所以，即使室温超导材料被发现且能用，要到规模化应用依旧需要很长的时间。
二代高温超导带材最后，我们探讨一下寻找室温超导体的具体方案。
事实上，科学家们有很多比较明确的寻找室温超导的科学思想和技术路线。比如，我们可以通过“量子调控”来调节材料内部的相互作用、载流子浓度、表面界面和内外压力等，来提升超导体的临界温度。我们也可以借助“原子智造”来设计功能结构单元、不同原子层的扭角和三维结构调整；甚至我们可以借助“人工智能”，结合实验的大数据和计算结果，来帮助我们高效率地筛选超导材料，目前人们已成功用该方法找到了多个新超导材料，只是超导温度还太低。
探索室温超导的科学方案 看到这里也许你会发出疑问：如果室温超导体没有用，那么还有什么科学意义吗? 我认为至少在两个方面还具有重要的科学价值：1、室温超导的发现代表着探索发现、突破极限、刷新未知的科学精神；2、室温超导的机制肯定超越了现有理论框架，有可能在将来孕育出全新的物理。
超导的未来应用 在这里也和大家预告一下，我作为嘉宾参与了2024知乎科学盛典，将围绕室温超导相关话题进行演讲。这个问题届时也会在11月20日播出的节目中做更多分享和讨论，感兴趣的朋友可以收看。
单纯的室温超导想开启工业革命基本不现实，但如果是整个强关联物理实现彻底突破，则潜力不仅仅是第四次工业革命。
首先很多媒体对超导的宣传似乎总是有很多不到位之处，超导不是万能许愿机，不是说电阻为0就能解决所有问题。众所周知，超导有一些很难搞的性质，比如加磁场会破坏超导，比如电流太大会破坏超导，这些客观约束一旦施加上来，超导就不可能像想象中那么好用。另外，我们目前接触到的超导材料本身作为材料的性质也是比较尴尬的，比如像铜氧超导，要做成导线难度还是很高的。
我们现在尚不知道室温超导材料究竟是什么样的，如果需要的外界条件比较苛刻，比如极端高压，那想真正用起来还是太困难了。另外，材料延展性，临界磁场，最大电流这些都是约束这种材料的重要条件。即便真的找到了室温超导，大概率需要至少数十年时间开发专门适配室温超导的器件，而全方位替代现有导电材料更是不可能的。
但如果是理解所有超导材料，或者说理解所有关联系统的强关联理论真正横空出世，那很多事情就很有商量的余地了。我们现在找材料大体来说靠的是运气+经验，特别是全新材料，理论基本无法预测（除了转角石墨烯），这就导致我们是撞上什么算什么，没法真正从理论层面去构造和设计这种非常规材料。这本质上我认为还是我们面对关联问题相当束手无策，别说是预测，就算是马后炮的计算对我们来说也是几乎无法做到，这个问题不得到部分解决，单靠偶遇某种室温超导材料就想开启工业革命，恐怕是不太现实。
图片来自直播复现LK-99的Andrew 一张图简要概括超导的应用领域。如果韩国LK-99常温常压超导是真的，考虑到原材料的便宜易得，经过全世界的内卷，其价格和应用性很快就能达到商用水平。生活里的绝大部分电磁相关的仪器都能像NMR这样得到根本性改变，你想想不是第四次工业革命是什么？
就以核磁共振仪NMR来说吧，800MHz的仪器采购成本好像是75万美元以上？高校和其他科研单位都当之为宝贝精心呵护，清华的800M收费标准如下：
