文 |  羅會(huì)仟（中國科學(xué)院物理研究所研究員）

從事超導(dǎo)研究的科學(xué)家們，有一個(gè)終極的夢(mèng)想，那就是尋找到可實(shí)用化的室溫超導(dǎo)材料。

還記得科幻電影《阿凡達(dá)》里描述的潘多拉星球嗎？那里有著富饒的室溫超導(dǎo)礦石——Unobtanium，它足以讓一座座大山懸浮在空中 (圖1)。地球人類甚至不惜一切代價(jià)，哪怕是摧毀外星人的家園，也要掠奪過來。這足以說明，室溫超導(dǎo)材料堪稱無價(jià)之寶，人類或許在地球上找不到，也夢(mèng)想在別的外星球上去獲得[1]。

有趣的是，在比特幣盛行之后的今天，Unobtanium已經(jīng)搖身一變，成為了眾多虛擬數(shù)字貨幣之一——超導(dǎo)幣 (UNO) (圖2)。超導(dǎo)幣一共有25萬個(gè)，目前單個(gè)市值1000人民幣左右，遠(yuǎn)不及高溫超導(dǎo)材料的寶貴。

所謂室溫超導(dǎo)，指的是在地球室溫環(huán)境下（通常默認(rèn)是300 K，也即27℃）就能夠?qū)崿F(xiàn)零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)材料。這意味著，室溫超導(dǎo)材料對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)臨界溫度必須在300 K以上。

事實(shí)上，自從超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)以來，人們就沒有停止過對(duì)室溫超導(dǎo)的向往和探索。甚至可以說，諸如有機(jī)超導(dǎo)體、重費(fèi)米子超導(dǎo)體、銅氧化物高溫超導(dǎo)體、鐵基超導(dǎo)體等都是室溫超導(dǎo)探索之路上的偶然發(fā)現(xiàn)[2]。直到最近，人們還在孜孜不倦地追求室溫超導(dǎo)材料。

全球最大的論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org經(jīng)常報(bào)道出各種“室溫超導(dǎo)體”，比如2016年Ivan Zahariev Kostadinov就聲稱他找到了臨界溫度為373 K的超導(dǎo)體，他沒有公布這個(gè)超導(dǎo)體的具體組分，甚至為了保密把他的研究單位寫成了“私人研究所”[3]。

又如一隊(duì)科研人員聲稱在巴西某個(gè)石墨礦里找到了室溫超導(dǎo)體，并且做了相關(guān)研究并正式發(fā)表了論文[4]。還有，在2018年8月，兩位來自印度的科研人員號(hào)稱在金納米陣列里的納米銀粉存在236 K甚至是室溫的超導(dǎo)電性，并且有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]。

毫無疑問，這些聲稱的“室溫超導(dǎo)體”，都是很難經(jīng)得住推敲和考證的，它們很難被重復(fù)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。有的根本沒有公布成分結(jié)構(gòu)或者制備方法，就無法重復(fù)實(shí)驗(yàn)；有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極有可能是假象；有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極有可能不可靠。

關(guān)于373 K超導(dǎo)的材料，所謂的“室溫超導(dǎo)磁懸浮”實(shí)驗(yàn)更像是幾塊黑乎乎的材料堆疊在磁鐵上而已 (圖3) [6]。關(guān)于236 K超導(dǎo)那篇論文中數(shù)據(jù)就被麻省理工學(xué)院的科研人員質(zhì)疑，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)噪音模式“都是一樣的”，這在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中是不可能出現(xiàn)的事情[7]。這確實(shí)是令人沮喪的，絕大部分室溫超導(dǎo)體都這么不靠譜，那么該相信誰？

事實(shí)的真相比這個(gè)還要悲觀，在探索室溫超導(dǎo)之路上，除了我們熟知的那些類別的超導(dǎo)體之外，其實(shí)還有許多聲稱超導(dǎo)的材料。科學(xué)家借助UFO (Unidentified Flying Object，不明飛行物)的概念，戲稱這些材料為USO (Unidentified Superconducting Object)，即“不明超導(dǎo)體”[3, 8]。

的確，這些不明超導(dǎo)體長(zhǎng)得千奇百怪，有金屬的液體溶液，有高壓淬火的CuCl和CdS，也有看似正常的過渡金屬氧化物或者其薄膜，還有和銅氧化物等超導(dǎo)材料特別類似的，也有在特殊超導(dǎo)材料基礎(chǔ)上摻雜的。它們的超導(dǎo)臨界溫度，從35 K到100 K，甚至到400 K！相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)有的是零電阻，有的是抗磁性，也有兩者皆有的 (圖4)。

不明超導(dǎo)體似乎看起來都像是超導(dǎo)體，但是它們有一個(gè)共同特征——無法被科研同行的實(shí)驗(yàn)廣泛驗(yàn)證。關(guān)于這些奇怪超導(dǎo)的研究，都因?yàn)闊o法重復(fù)而不了了之，最終被大家所恥笑和忘卻。

即使如此，人們心目中的那個(gè)室溫超導(dǎo)之夢(mèng)，依舊縈繞不止。無論是美國、日本還是中國，都前后啟動(dòng)過以室溫超導(dǎo)材料探索為遠(yuǎn)景目標(biāo)的科研項(xiàng)目。日本科學(xué)界甚至明確指出要探索400 K以上的超導(dǎo)體，為的就是在室溫下可以規(guī)?；瘧?yīng)用。只是，這些項(xiàng)目，目前尚未給出任何一個(gè)令人驚喜的答案，室溫超導(dǎo)探索，依舊是漫漫長(zhǎng)路。

如何尋找到更高臨界溫度甚至是室溫之上的超導(dǎo)材料，科學(xué)家們可謂是絞盡了腦汁。遙想當(dāng)年，無論是實(shí)驗(yàn)家馬蒂亞斯總結(jié)的“黃金六則”，還是理論家麥克米蘭劃定的40 K紅線作為“看不見的天花板”，都先后被證明并不準(zhǔn)確，甚至可能帶來誤導(dǎo)。況且，如重費(fèi)米子和鐵基超導(dǎo)等，都是打破“禁忌”的超導(dǎo)材料，其發(fā)現(xiàn)似乎充滿各種偶然性和意外性。

我們還能憑借經(jīng)驗(yàn)尋找到室溫超導(dǎo)體嗎？可以這么說：沒有任何一種靠譜理論說明室溫超導(dǎo)體并不存在，也沒有任何一種限制可以阻止我們追逐室溫超導(dǎo)的夢(mèng)想，更沒有任何一條有用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒椭覀儗ふ业绞覝爻瑢?dǎo)體。

話雖如此，科學(xué)家們還是總結(jié)了高溫超導(dǎo)中的若干共性現(xiàn)象，并試圖建立高溫超導(dǎo)的“基因庫”。這些“高溫超導(dǎo)基因”，可以是過渡金屬材料的3d電子，可以是電子-電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，可以是準(zhǔn)二維的晶體結(jié)構(gòu)和低濃度的載流子數(shù)目，可以是強(qiáng)烈的各向異性度和局域的關(guān)聯(lián)態(tài)，可以是多重量子序的復(fù)雜競(jìng)爭(zhēng)……，線索有很多，但是哪一條有效尚屬未知[3]。

尋找室溫超導(dǎo)之路，有三條可以嘗試走：1、合成新的材料；2、改進(jìn)現(xiàn)有材料；3、特殊條件調(diào)控材料[9]。其中第二條是顯而易見的，比如改進(jìn)現(xiàn)有的銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)摻雜等改造，以期獲得更高臨界溫度的超導(dǎo)體。特殊條件調(diào)控，指的是利用高溫、高壓、磁場(chǎng)、光場(chǎng)、電場(chǎng)等方式調(diào)控材料的狀態(tài)，在更高溫度下形成超導(dǎo)態(tài)。合成新的材料是最困難的，因?yàn)闆]有可靠的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蚋嬖V我們室溫超導(dǎo)在哪里，只能“兩眼一抹黑”去探索。

部分科學(xué)家認(rèn)為，有機(jī)材料里面，室溫超導(dǎo)體的可能性最大。原因有很多，最大的原因在于有機(jī)材料的種類非常豐富，里面冒出一兩個(gè)室溫超導(dǎo)體，“并不奇怪”。不過也需要特別小心的是，有機(jī)材料以及一些碳材料中，非常容易得到微弱的抗磁性或者出現(xiàn)電阻率下降的現(xiàn)象。這不，早在多年以前，就有人認(rèn)為碳納米管中存在262 K甚至636 K的“室溫超導(dǎo)”，這里只能說是“疑似”，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)只是電阻存在一個(gè)下降而已，零電阻和抗磁性并不同時(shí)存在。

基于碳單質(zhì)的材料可以變化多端，也成為大家設(shè)計(jì)室溫超導(dǎo)體的樂園。科學(xué)家基于自己的直覺，設(shè)計(jì)出了多個(gè)苯環(huán)化合物、多個(gè)足球烯結(jié)構(gòu)、碳納米管包覆足球烯、由足球烯或碳納米管為單元的“超級(jí)石墨烯”等 (圖5) [10-13]。這些材料以目前的技術(shù)是難以合成的，但隨著人們對(duì)量子操控技術(shù)的掌握，也許在將來的某一天真的可以實(shí)現(xiàn)，也有可能覓得一兩個(gè)室溫超導(dǎo)體呢！

如果選取了合適的調(diào)控手段，室溫超導(dǎo)也是有機(jī)會(huì)被發(fā)現(xiàn)的。結(jié)合X射線自由電子激光和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體中可以誘導(dǎo)出一種三維的電荷密度波態(tài)，意味著電荷相互作用更為強(qiáng)烈，更高臨界溫度的超導(dǎo)電性有可能實(shí)現(xiàn) (圖6) [14]。

德國馬普所的科學(xué)家們利用紅外光“加熱”高溫超導(dǎo)體內(nèi)部的電子，讓它們更為活躍地形成庫伯電子對(duì)，在增強(qiáng)Cu-O面間的耦合前提下，電子對(duì)甚至可以存活于室溫之上 (圖7) [15]。不過如此形成的室溫超導(dǎo)的壽命是極短的，大概只有10-12秒，所以又被稱之為“瞬態(tài)室溫超導(dǎo)”。尋找到更適合調(diào)控電子配對(duì)的方法，讓庫伯電子對(duì)的相干凝聚更為穩(wěn)定，或許是走向真正室溫超導(dǎo)的可能道路之一。

總之，超導(dǎo)探索之路上的多次驚喜和教訓(xùn)已經(jīng)告訴我們，室溫超導(dǎo)之夢(mèng)并不是遙不可及。隨著人們對(duì)超導(dǎo)認(rèn)識(shí)的深入和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將來必定能夠發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，夢(mèng)想總有照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的那一天。

 

參考文獻(xiàn)

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(本文原題《室溫超導(dǎo)之夢(mèng)：探索室溫超導(dǎo)體的途徑與實(shí)現(xiàn)》，摘自《超導(dǎo)“小時(shí)代”》，經(jīng)作者授權(quán)發(fā)布，此次發(fā)表時(shí)有所更新。未經(jīng)授權(quán)，禁止轉(zhuǎn)載)