室温和常压下超导体存在的证据找出 有望应用高压电缆上完美解决热损耗

最近，印度科学界正处于一个非常时期：如果一篇新论文通过《Nature》的审核，那么印度将迎来其继拉曼效应后又一个世界重磅科学贡献。

7 月23 日，论文预本网站arXiv 上面出现了一篇论文，标题翻译过来是：《室温和常压下超导体存在的证据》，作者是印度科学院固体物理和结构化学系的Anshu Pandey 教授和他的博士生Dev Kumar。他们在论文中声称，在室温和常压下，一种由金和银构成的纳米复合材料显现出了超导的特性。

室温超导一直是学术界研究的热门话题，这个奇特的性质几度在科幻与现实之间摇摆，可望而不可及，很多物理学家愿意终其一生去寻找室温超导的答案。过去的几十年里不乏有关于“室温超导”的论文发出，每次都会引起学界不小的讨论。最后往往是讨论尘埃落定，大家铩羽而归。

图丨Anshu Pandey（来源：印度科学院官网）

论文发出后，印度凝聚态领域的理论物理大牛们难掩兴奋，毕竟这可能为印度带来又一项诺贝尔物理学奖。上一个获奖的印度人是著名的物理学家钱德拉塞卡拉•拉曼，他因著名的拉曼效应使他成为1930 年诺贝尔物理学奖得主。

理论物理学家Vijay B. Shenoy 在一次报告会上说为这项实验背书：“这很超导，如果实验属实，这种神奇材料背后的原理肯定会是一种全新的超导理论。”

另一位印度超导研究的权威T.V.Ramakrishnan 对媒体表示：“我认为，这个实验是真实的，很显然，电阻和磁化率的数据符合超导的要求，它们之间也吻合得很好。至于其背后的原理，当然是重要的，但也可以稍后做探索。至今人们为超导的原理还争论不休。”Shenoy 也补充到：“凝聚态领域几乎所有重要的理论都要晚于实验结果。”

然而鉴于此次研究的重要意义，文章曝出后也引发学术界的热烈讨论，其中不乏对室温超导的质疑。一些实验物理学家认为，本次研究并不能成为发现室温超导的直接证据，而只是指出了一种可能性。

更有麻省理工学院的学者指出，其文中的两组相互独立的关键数据竟出现完全一样的随机测量误差。这在科学界，就像是连续两期六合彩竟开出完全相同的中奖号码。

图| 一块磁铁漂浮在超导体之上（来源：Wikimedia Commons）

金银混合的纳米颗粒

先从超导说起吧。

但凡一种材料都会有电阻。金属的电阻很小，是良导体，因此它们被制成了传导电流的设备，比如铜制的电缆。但是在高压电缆上仍然会有严重的热损耗，如果用超导体制成的电缆就可以完美地解决这个问题。

超导体，顾名思义，是一种超级导体，电阻为零。超导状态下的材料除了电阻快速降到零，还会有一个显著现象：完全抗磁性，即磁感线无法穿过一个超导体，因为超导体排斥了所有的外部磁场(在磁场不大的情况下)，从而使其内部磁场为零。把一个磁铁放放置于超导体上，它会漂起来，在外力的作用下零阻力的移动。这个现象也叫做迈斯纳效应，对于一个理想的超导体来说，体积磁化率—衡量物体被磁化的程度—为－1。

理论上讲，超导体是各种电气设备的理想材料，用它制成的电缆可以零发热输送很高的电流，超导磁悬浮列车可以零阻力狂奔，是不是一片另人向往的生活前景？

只可惜，虽然在过去的一个世纪里人们发现了很多超导体，从单质到复合物，再到复杂的化合物甚至是奇异物质，我们还是没有办法实现这些美好的生活愿景。因为这些超导体无一列外是低温超导，这个低温不是你家冰箱的冷冻室，也不是穿着短裤站在南极的冰面上，而是接近绝对零度(-273°C) 的低温，这个温度下几乎所有气体都是液态。

图| 实验中使用的电极，深灰色区域附有金银混合物薄片，薄片有100nm 厚，黑色的长条长度为3mm（来源：此次论文）

那么，Pandey 的团队是在什么样的实验中发现室温超导的呢？

这个实验说简单也简单，他们将直径为1nm 的银颗粒嵌入到了金的网格中，并将这种混合物制备成了直径为10-20 纳米的颗粒。值得注意的是，论文只提及了制作这种混合物的方法叫化学烧结法，对其详细过程并没有作详细描述。这些纳米颗粒进而再被制成薄片，附在电极上面，以方便测量其电阻。

随着温度的降低，电阻刚开始并没有什么显著的变化，但是当温度降低到230-240K 的区间时，电阻一下子从0.7 欧降到了100 毫欧。报告中说由于仪器精度的限制，他们推测实际的测量值可能还要更低。这意味着每单位长度的电阻将小于0.1 纳欧，比普通金银的电阻整整低两个数量级。Pandey 估计了临界温度在236K（-37.15°C）附近。临界温度随外磁场的升高而降低，也符合超导体的特性。

图| 电磁特性随温度的变化。左为电阻，右为体积磁化率。（来源：此次论文）

在抗磁性方面，Pandey 测量了材料的体积磁化率随温度的变化。发现它在临界温度附近从零降到了-0.06。这个值离理想超导体的-1 还差得很远，不过研究人员给出了一个理由，纯度不够。等效地说材料有6% 的区域是超导。

“这个实验做得很干净且有说服力”，数学科学研究所的GanapathyBaskaran 教授说，“对于粒状超导来说，10％的超导占比已经不低了。”

物理“圣杯”的争议：夸大其词？数据异常？

目前为止，236K 的临界温度离室温还有一段距离，Pandey 在论文中仅仅提出了达到室温的一种可能性：降低材料中金的比例。在他们声称的另一项研究中，一块含有较少金成份的样品在温度降到320K（46.85°C）时，其电阻骤降了三个数量级。这个温度已经要比赤道上很多地方的温度要高了。该样品的体积磁化率为-0.037，也属于完全抗磁的范畴。

不过，很多实验物理学家指出，这些证据最多指向了室温超导的可能性，并不能用为发现室温超导的直接证据。

回到这次的研究上，关于为什么选择金和银做为素材，Pandey 仅仅在论文中说：“本着一种去寻找非声子模型的目的，我们才把注意力转移到用金和银制成的纳米结构的。”面对更多的提问，Pandey 选择了缄默。众多理论物理学家对他的回答采取了一种宽容的态度：“他们用这种材料肯定有其自身的原因，我相信在论文被接受发表之后，他们肯定会透露更多的细节的，”Shenoy 说。

Ramakrishnan 已经开始动员印度科学家研究Pandey 实验中的这种金银纳米结构了。“我们还要让化学家们参与进来，因为他们更懂得如何去制备这种纳米材料，而论文的作者也没有提供有用的细节。另一方面，物理学家还要研究这个结构的其它电磁性质，以及光学性质。我确信，世界上已经有好几个研究组着手研究了。”

但是，在理论物理学家们的支持论调下，Pandey 的真正同行――实验物理学家――却显得更加严谨。一位不愿透露姓名的超导实验物理学家指出，实验的数据不完整，“论文标题是室温超导，而数据却只支持236K 的超导。是这更像是一项尚未完成的工作，除非他们给《Nature》 杂志提交了更完整的数据。”实验所能达到的测量精度则更让他纠心。“测量精度最好能达到1 毫欧(1e-3 欧)，也就是说压降精度要达到1 纳伏(1e-9 伏)。磁化率的数据也需要更精确。”

他还指出实验缺乏一项关键数据――场冷却数据。这项数据在实验者先打开测量磁场后将样品冷却时获得。这项数据可以帮助计算出准确的超导区域占比，从而与磁化率进行交差验证。

此外，还有对研究中数据质疑的声音出现。 8 月10 日，一篇麻省理工学院Brian Skinner 博士的文章对数据提出了疑问。这篇文章已提交在arxiv预印本网站上。

Brian Skinner 指出，研究中的两组数据十分奇特，下图为两组数据的放大图。该图描述了样品磁化率随温度的变化函数，是这项超导研究的关键数据。可以看出，图中蓝色部分和绿色部分的数据构成完全相同的形状，而只是位置向下移动。

图| 原研究超导率函数图的放大图（来源：ArXiv）

BrianSkinner 博士对此表示，“数据出现的这一特征在我的认知内史无前例，而且并没有明显的理论能够解释。”

如今这篇论文，从标题上看注定不会是一篇平常的论文，然而登出大半个月后，学术圈里出现了截然不同的两种声音。难道这又是一次“狼来了”的作秀，还是里面另有隐情？

路漫漫其修远兮

事实上，超导现象第一次被发现已经是一个世纪之前的事情了。

像很多科学现象被发现的过程一样，超导现象也是在不断改进和提升技术的过程中被偶然发现的。20世纪初期，欧洲的机械工业化已经发展到了相当高的水平。当时世界上各个实验室都力图实现将沸点很低的氦气液化。1911年，莱顿大学的卡末林•昂内斯(H.KamerlinghOnnes) 成功地将氦气液化到4.2K(-269°C)，这为他研究物质在极低温度下的性质提供了方便，也是在这个时候，他偶然发现了水银的超导现象。这个发现为他赢来了两年后的诺贝尔物理学奖，同时也开启了科学家探索超导体的热潮。

图| 卡末林•昂内斯(右) 和他的实验员盖芮特灢菲立姆(左) 于1911 年在世界上首台氦液化器旁的照片

1980 年代之前，超导的研究还集中在单元素金属和多元合金中。通常称这些金属或金属合金的超导体为常规超导体, 这些材料包括水银，铝，铅和其它金属合金如铌锡，铌钛和铌锗合金。它们的临界温度Tc（即从导体转变为超导体的温度）在20K 以下，这个温度和液态氢的沸点差不多。

彼时，超导转变温度太低，需要昂贵的液氦设备，科学家努力探索提高超导临界温度的途径。只是历史的发展总是一样，在一件标志性事件发生之前，人类的想像力总是受限，金属类的超导似乎并不能满足人们对高温超导的期望。

图| 超导体的转变温度随被发现的时间的关系（来源：此次论文）

这一件标志性的事件发生在1986 年。

IBM 苏黎世研究院的德国科学家柏诺兹(J.Georg Bednorz) 和缪勒(Karl A.Muller) 科学家对一种陶瓷材料已经研究了很久，这一年年底，他们发现钡镧铜氧化物（BaLaCuO 或LBCO）在33K以下表现出了超导的特性。

现在来看，这个临界温度比它的金属前辈并没有高出多少，但是在那个年代已经是很高的温度了，而且突破了液氢的沸点，从此便可以用更廉价方便的液氮来降温。这两位科学家次年便被授予了诺贝尔物理学奖，这是为数不多的几次诺奖被授予了新的发现，可见这次高温超导的重要性。

这是一个伟大的发现，它开创了高温超导体的井喷时代。在随后的十年里，陆续有新的铜氧化物在高温下表现出超导特性，临界温度从最开始的33K 一路升到了98K (YBaCuO)。1993 年，汞钡钙铜氧系统(HgBaCaCuO) 的临界温度达到了最高的138K（常压），在高压下（30 万个大气压）甚至可以达到164K。而迄今为止最高的记录是2015 年的203K，值得注意的是，这一记录保持者不是铜氧系统，而是高压下的锍化氢系统。

虽然203K（－70°C）比南极温度还要低上那么一点点，但是它极大激发了人们的想像。南极已经到了，赤道还会远吗？这些高温超导中是否可以找到一些室温超导的蛛丝马迹呢？

超导本质上是一个量子现象。1957 年，Bardeen、Copper 和Sieffer 提出著名的BCS 理论，对这一现象做了很好的解释。晶体的晶格振动往往以声子的形式呈现，电子与声子的相互作用可以产生一种“胶水”，使本来相互排斥的电子互相吸引，两两成对，这些配对的电子被叫做库珀对(Cooper)。当材料的温度降低到临界温度以下时，所有电子库珀对都处于有序的相干的基态，它们像液体一样，共同从导体中穿过，与晶格之间不再发生散射。宏观上看，电子就在导体中无障碍传输了。而临界温度的存在，是因为较高温度下的晶格振动对库珀对造成了破坏。三人因此理论获得了1972 年的诺贝尔物理学奖。

图| “BCS 理论”创立者——巴丁& 库珀& 施里弗

美国科学家麦克米兰基于BCS 理论计算，认为超导临界温度不太可能超过39K（-234℃），39K 这个温度也被称为“麦克米兰极限”。这个极限温度一度被主流学界所接受。

回到这次的研究上，该项研究并没有在物理学家之间掀起轩然大波，也没有在博客上和社区上的引起人们的兴趣，大概是物理学家们都十分清楚，室温超导的份量和其承载的意义。

如果室温超导真的成为可能，那么很多科幻作品里的设想就会变成现实。面对这样大的可能的发现，每人个都屏息凝神，静静地等待着Nature 杂志的最后判决。可以肯定的是，如果《Nature》 发表了这个发现，整个世界将为之哗然，超导理论发展将开展也新的篇章。