北京時(shí)間10月14日，最新一期《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)物理學(xué)界的重磅研究成果：美國(guó)羅徹斯特大學(xué)研究人員在氫化物材料中，首次觀察到了288開（約15攝氏度）的溫度下的室溫超導(dǎo)現(xiàn)象。
這一發(fā)現(xiàn)刷新了高溫超導(dǎo)材料最高臨界溫度的歷史紀(jì)錄，也代表著人類向著創(chuàng)造出具有最優(yōu)效率電力系統(tǒng)的目標(biāo)又邁出了重要一步。
一個(gè)多世紀(jì)以來，開發(fā)室溫超導(dǎo)材料一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的“圣杯”。據(jù)羅徹斯特大學(xué)物理和機(jī)械工程助理教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）所言，這些材料一旦問世，甚至可以徹底改變當(dāng)今世界的面貌。
為什么室溫超導(dǎo)材料會(huì)有如此大的威力呢？
超導(dǎo)體有兩個(gè)特性：零電阻和完全抗磁性。
中學(xué)物理的歐姆定律告訴我們，電流通過電阻會(huì)發(fā)熱，從而導(dǎo)致大量的能源轉(zhuǎn)化成熱能損失了。而在特定溫度下，電能可以在超導(dǎo)材料中零電阻通過。
除了零電阻的特性以外，超導(dǎo)材料還具有完全抗磁性——指在磁場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零的現(xiàn)象。
這兩個(gè)特性使得超導(dǎo)體在電流傳輸過程中幾乎沒有能量耗損，每平方厘米超導(dǎo)材料上還能承載更強(qiáng)的電流，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效率；而一般常規(guī)材料，在導(dǎo)電過程中都會(huì)消耗大量能量。
既然超導(dǎo)材料功能如此強(qiáng)大，為什么一直沒有投入實(shí)際應(yīng)用呢？
目前，絕大多數(shù)超導(dǎo)體僅在接近絕對(duì)零度的溫度下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)。這意味著實(shí)際應(yīng)用中需要依賴昂貴的低溫液體，如液氦，來維持低溫環(huán)境。因此，超導(dǎo)應(yīng)用的成本急劇增加，甚至維持低溫的成本，都要遠(yuǎn)超材料本身的價(jià)值。
自1911年超導(dǎo)體首次被發(fā)現(xiàn)以來，尋找室溫超導(dǎo)材料一直是科學(xué)家們競(jìng)相追求的目標(biāo)。
中國(guó)科學(xué)家在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域收獲頗豐，趙忠賢院士就曾因在這一領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，他也是國(guó)際上最早認(rèn)識(shí)到銅氧化合物超導(dǎo)體重要意義的少數(shù)科學(xué)家之一。1987年，他的團(tuán)隊(duì)在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。
2008年，國(guó)內(nèi)幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)又各自獨(dú)立在鐵基高溫超導(dǎo)上實(shí)現(xiàn)了突破，堪稱中國(guó)鐵基超導(dǎo)“奇跡”。
近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，為減小電網(wǎng)建設(shè)成本和改造費(fèi)用，同時(shí)，提高供電安全性和可靠性，國(guó)家電網(wǎng)公司也在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域開展了積極研究與應(yīng)用。2019年，由中國(guó)電力科學(xué)研究院主導(dǎo)，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、特變電工沈陽(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司和清華大學(xué)合作開發(fā)的磁偏置高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)經(jīng)驗(yàn)證具備10千伏并網(wǎng)能力。高溫超導(dǎo)故障限流器( SFCL) 具有響應(yīng)快、損耗低、載流能力強(qiáng)和自觸發(fā)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在極短時(shí)間內(nèi)逐級(jí)限制電網(wǎng)故障電流，降低斷路器配置容量，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。2020年8月份，該磁偏置超導(dǎo)限流器長(zhǎng)期掛網(wǎng)試點(diǎn)示范應(yīng)用被納入國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司2021年科技項(xiàng)目規(guī)劃中。
此次，羅徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將可以實(shí)現(xiàn)零電阻的溫度提高到了15 攝氏度。然而，這種室溫超導(dǎo)是在金剛石“砧板”制造的267吉帕（Gpa）高壓下實(shí)現(xiàn)的，相當(dāng)于200多萬(wàn)倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，很難談得上實(shí)際應(yīng)用。
金剛石頂砧高壓裝置下實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)
但是，研究團(tuán)隊(duì)也在論文結(jié)尾處指出，通過微調(diào)化學(xué)成分等技術(shù)手段來降低所需壓力，未來有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)大氣壓下穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的室溫超導(dǎo)體。
如果未來真的實(shí)現(xiàn)了常溫常壓超導(dǎo)，會(huì)為我們的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來哪些應(yīng)用？
首先，電網(wǎng)不會(huì)再因?yàn)殡娋€中的電阻而造成電的損失和浪費(fèi)，全球化電力供應(yīng)也有可能實(shí)現(xiàn)；
其次，有可能開發(fā)出速度比飛機(jī)還要快的磁懸浮列車；
另外，也可以對(duì)磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）機(jī)器、量子計(jì)算機(jī)等運(yùn)用超導(dǎo)電磁元件的機(jī)器進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)升級(jí)，為醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
未來，人類可能會(huì)進(jìn)入“超導(dǎo)社會(huì)”，到那時(shí)，人類社會(huì)在能源、交通、高精度儀器和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面可能都將發(fā)生深刻變化。
參考資料：
[1]Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z
[2]http://www.chinapower.com.cn/tech/20191218/1293344.html
[3]諸嘉慧,張會(huì)明,陳盼盼,張宏杰,丘明.10kV混合式磁偏置高溫超導(dǎo)限流器性能實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo),2020,48(09):36-41.
