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 11
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。
