超导百年物理学圣杯是如何诞生的？

　　图片来源视觉中国
　　文脑极体
　　最近科技圈流传的大新闻，大家都知道了吧？
　　简单来说，美国物理学会的三月会议上，来自罗彻斯特大学的RangaDias宣布，他们团队在近环境压强下实现了室温超导。
　　这个消息在中文互联网流传之后，很快就有了详细的解读，业内人士的普遍看法是：先观望一会儿。
　　原因有两个：
　　一是这个研究本身还不确定，有学者对实验数据提出了质疑，认为样品过于均匀，实验结果目前还没有被其他课题组复现。
　　二是这个团队带头人有前科，RangaDias在2020年发表于《自然》上的论文被撤稿了，多个研究组试图重复该实验，结果都不理想。RangaDias不披露原始数据，后来又说自己论文中合成的金属氢消失了，引发大家的一致抗议，认为Somethingisseriouslywrong。
　　所以，室温超导虽然是诺奖级的工作，但说RangaDias已经摘下了圣杯，还为时过早。
　　这件事并不复杂，三言两语就能说完。但有趣的是，明明诺奖八字还没一撇，还是大多数人都不了解的凝聚态物理领域，却引得中国科技圈一片焦虑，大众媒体也积极报道。
　　怎么就引起了轰动呢？
　　除了超导领域本身的重要性之外，还是因为这条新闻，激发了当下国际科技竞赛的普遍焦虑。
　　毕竟前不久，人工智能领域的皇冠，刚被OpenAI用ChatGPT摘下，通用人工智能眼看着有希望了，现在物理学的圣杯，又抢先被美国科研人员拿走了？
　　在广泛流传的一张网图里，连认证的中科院研究员，都感受到降维打击了，让很多人担心，咱们在基础重大突破上，不会又被拉下一大截吧？
　　同班同学刚考了个语文的年级第一，你正摩拳擦掌、悬梁刺股，预备下次考试好好发挥呢，人家又捧回来一个国际物理竞赛金奖，直接保送了。可不就激发了咱们担心落后的焦虑情绪。
　　只能说明，对于基础科技创新，大家真的太焦虑了，一有风吹草动就如临大敌，忽略了咱们中国在超导领域，也是非常优秀的。
　　目前，美、日、中是全球超导领域的领先者。2008年，《科学》杂志就以新超体把中国物理学家推向世界最前沿为题，认为中国如洪流般不断涌现的研究结果，标志着在凝聚态物理领域，中国已经成为一个强国。
　　所以大家先放下焦虑，放下担忧，我们来聊聊超导究竟是什么？为什么能成为诺奖级工作？对大众生活和科技产业能带来哪些影响？
　　踏破铁鞋无觅处，超导竟在我身边
　　凝聚态物理？超导性？这些专用名词，是绝大多数普通人日常很少会涉猎到的。所以咱们先不去掰扯复杂的理论和技术概念，先来说一个有趣的事情：超导就在你身边。
　　超导，就是超级导电的意思，具有这种超级导电性的材料，就是超导体。之所以能超级导电，源于电阻为零的特性。
　　九年义务教育常识：电流穿过电子设备电线环路时，会遭遇电阻，导致一些能量以热量的形式而损失掉。你的手机在高负荷运转或充电时会发热，变成暖手宝，就是这个道理。
　　而超导是零电阻，所以电流可以在超导体中没有阻力、热损耗、衰减地流动。
　　荷兰的理论物理学家保罗埃伦费斯特说过，超导环路里是永不消逝的电流。所以，有电的地方，就有超导的用武之地。
　　今天，超导在多个领域的应用已经非常成熟甚至是商业化了。我们从两个场景来看：
　　一是强电应用。即在大电流或强磁场下的超导应用。
　　基础科研：基础科学研究往往需要强磁场的环境，大型粒子加速器、高能粒子探测器、人工可控核聚变装置都需要高强度的超导磁体。
　　能源行业：现阶段最高效的特高压交流输电技术，需要经过变电站，以市电电压传输到各家各户，长距离传输会带来电能的损失，造成能源浪费，加重环境的负担。而零电阻的超导电路，就完全不需要变电站，可以在较低电压下进行高功率传输，零损耗地传输电能，这对能源行业是革命性的变化。
　　医疗行业：如今医院采用的核磁共振成像仪（MRI），成像清晰度和辨识度很高，靠的就是超导磁体，14特斯拉以上的超强超导磁体核磁共振成像技术，能够把人脑中的860亿根神经元全部清晰地测量出来，为很多疾病提供精准的医疗诊断影像。
　　交通领域：磁悬浮列车大家可能都听过或坐过，时速和高铁差不多，上海浦东机场的高速磁悬浮列车跑完全程30千米只需8分钟。如果换成超导磁悬浮，速度还能翻倍。2020年，西南交通大学已经建成了首台高速超导磁悬浮样车，未来乘坐时速600千米时以上的超导磁悬浮高速列车，大家的出行效率会更高。
　　当然，还有一些与普通人生活比较远的强电应用。比如量子计算，超导量子比特技术帮助打造量子计算机，取得量子霸权；军事用途，超导体可以用于开发高强度电磁脉冲（EMP），用来瘫痪范围内的所有电子设备；太空探索，超导磁体，超导可控核聚变发动机，为太空旅行、宇宙飞船提供源源不断的动力。
　　二是弱电应用。即电流小、电压低的超导应用。
　　普通人日常接触最多的还是弱电应用，比如移动通信、家电、智能设备之类的，这些领域的超导化其实也非常常见。
　　利用超导的零电阻优势制作微波器件，可以减少数据传输的损耗，从而提高信号的识别度。3G4G基站用上高性能超导滤波器，可以让覆盖的手机信号不串号、不混流量。
　　大家平时用的笔记本电脑、手机、平板，容易因为散热不佳而烫手、运算速度变慢、烧坏主板器件，集成电路芯片越来越小，传统电路的功耗问题就越明显。如果能用超导体来制作电子元器件，就不用担心CPU发烧了。
　　我们都知道，第三次工业革命的核心是电气化，物理学家J。C。SamusDavis认为，特斯拉和爱迪生发明了电力，彻底改变了社会，而超导将再次彻底改变它。
　　如今，超导并不只存在学术会议、神秘实验室、各国智库报告里，其实已经来到了我们身边。
　　诺奖收割机，超导百年都在研究什么？
　　这么一说，你可能会说，既然3G时代超导就开始商用了，怎么还能持续收割诺奖，引无数物理学科学家竞折腰呢？
　　从发现超导现象，至今不过百年的时间，就已经在凝聚态物理领域诞生了60多个诺奖（诺贝尔物理奖），超导这个更小的分支，就有10个直接得奖，可见这个领域非常重要，而且难度大、收获也大。
　　那么，超导的百年历史中，都研究了哪些重要问题？我们就以五次超导研究的诺奖为脉络，串联起超导的发展历史。
　　1。发现超导。
　　1911年，荷兰物理学家卡末林昂尼斯在题为《汞的电阻突然迅速消失》的论文中，将零电阻的现象，命名为超导，这项开创性的研究，两年后就获得诺贝尔物理学奖，所在的荷兰莱顿大学的物理实验室，也一度成为世界低温物理研究中心。
　　2。超导热力学效应。
　　1950年，俄罗斯科学家A。A。Abrikosov、VitalyLazarevichGinzburg和英国科学家AnthonyLeggett提出了超导热力学效应，认为超导就是一种量子体系中的热力学相变。
　　冰热了化成水，水热了挥发成蒸汽，这个固体液体气体的过程就叫相变。超导体的电阻值，在临界温度下突然下降，而超导热力学效应的理论，可以用来描述超导相变的许多临界现象。
　　这项工作的50年多年后，三位科学家获得了2003年的诺贝尔奖，说明搞科研不仅要脑子好使，还得有个好身体。
　　3。超导微观理论。
　　1957年，伊利诺伊大学的三位物理学家巴丁、库珀和施里弗，利用电子配对的思想解释了超导的微观机制，即某些材料如何在低温下以零电阻导电，电子之间要相互吸引，需要晶格作为媒介，形成电子对（Cooper对），解释了汞和铅一类超导体中的超导现象。
　　凭借这一超导微观理论，即BCS理论，三位科学家在1972年获得了诺贝尔物理学奖。
　　（晶格使电子产生吸引作用）
　　4。超导隧道效应。
　　1962年，剑桥大学的研究生约瑟夫森发现了超导的量子效应，两个超导体中间放上绝缘体，会形成超导隧道电流，超导电子可以量子隧穿到另一个超导体中去，加上外界电压之后，会产生量子振荡运动，这一发现对研制高性能半导体和超导体元器件，有很高的应用价值，获得1973年的诺贝尔物理学奖。
　　5。高温超导材料。
　　1986年，IBM的柏诺兹和缪勒在一种氧化铜材料中发现了高温超导性，可以在35K（396F）的温度下变成超导体。铜氧化物高温超导的发现，将临界温度大幅提高，使材料在低价的液氮降温环境下达到零电阻，极大地拓展了超导应用场景。
　　这种新型材料，给超导研究注入了全新的活力，二人也在次年（1987年）就荣获诺贝尔物理学奖，比发现超导的开山鼻祖昂尼斯的获奖速度还快。
　　从这些里程碑的诺奖成就中，可以看到，超导是一个百年来硕果累累的基础研究领域，从理论奠基到落地应用的脚步，步履不停，而这个领域还会持续涌现更多的诺奖得主。
　　那么，超导还有哪些研究方向是诺奖的种子选手，中国的研究实力究竟怎么样呢？
　　下一个超导诺奖的种子选手
　　目前，超导领域还有很多未完成的诺奖级工作，等待着各国科学家们搏一搏。
　　首当其冲的，就是最近广为关注的常压室温超导体。
　　超导要实现规模产业化，必须开发出更利于应用的超导材料。而一直以来，超导领域都有一个临界温度的天花板麦克米兰极限，即超导临界温度不能超过40K（零下233。15）。
　　这个临界温度还是太低了，超导体必须通过昂贵的降温技术，比如液氮液氢，才能保持超导性。为了让超导体规模化应用，就必须探索室温环境下（300K，即27）就能够保持超导性质的材料。
　　可以说，常压室温超导体，是绝对的诺奖潜力股。
　　此前曾有很多论文声称找到了室温超导体，但基本都无法被同行重复实验，有的实验数据不可靠，最终不了了之。所以为什么说不用焦虑RangaDias称近环境压强下的室温超导，因为类似的狼来了已经发生过多次，等研究真的被自证和他证了，再着急不迟。
　　（麦克米兰极限）
　　实验技术的桎梏难以打破，基础理论突破或许能带来变革。高温超导微观理论，也是一个颇有前途的诺奖选手。
　　回顾历史会发现，目前唯一获得诺奖的超导理论就是BCS理论，而能够彻底描述高温超导材料特性的理论，目前还没有一个是公认成功的。底层微观机理的未知与不清晰，也使得相关应用研究只能在既有的规则条件下艰难探索。
　　如果能够将高温超导机理的微观问题研究明白，能够给室温超导带来意外的改变，加速超导产业化应用的进程，具有里程碑式的意义。
　　理论突破是金字塔尖的塔尖，寻找室温超导之路，绝大多数研究人员的机会还是在新的超导材料上。
　　从1911年超导被发现至今，已经有成千上万种超导材料被发现，元素周期表中大约一半的元素都显示具有低温超导性。不过，具有实际应用价值的材料，还是那些便宜、容易获得的金属与合金材料。
　　前面提到，铜氧化物超导材料的发现，第二年就斩获了诺奖。那么下一个诺奖级材料会是谁呢？答案是铁基超导体。
　　1987年之后铜氧化物超导材料的发现，开启了超导材料探索的蓬勃之路。如果说此前中国在超导领域的研究基础弱、追赶慢，与国际一流水平有代差。那么从上世纪八十年代开始，围绕高温超导材料，中国科学家迅速跻身到了世界前列。
　　《超导小时代：超导的前世、今生和未来》中提到，1987年3月初，美国物理学会3月会议设立了高临界温度超导体讨论会，当时，来自中国、美国、日本的科学家，作为大会特邀报告人，分别报道了各自在高温超导材料探索的结果，世界各地的3000多名物理学家，挤满了1100人容量的报告厅，狂热的会议讨论一直持续了7小时，直到凌晨2点才结束。
　　目前，构建出新型结构的铁基超导材料，被认为是高温超导甚至室温超导的希望所在，是下一个诺奖的潜力股，也是中国在超导领域的强项，拥有大量优秀的研究人才和丰富的研究经验，已经发现了多个铁基超导体系。
　　2014年，德国马克斯普朗克化学研究所的科学家A。P。Drozdov和M。I。Eremets宣布在硫化氢中发现190K超导零电阻现象，发表在《自然》期刊上，正是受到了中国科学家的理论计算启示。
　　百年超导，今天依然是如此迷人，拥有无限的可能性，才会让鸿儒白丁们都如此感兴趣。
　　《天空之城》中的漂浮岛屿，航行宇宙的太空飞船，永不枯竭的能源和动力，穿越时空的旅行关于未来世界的想象中，超导是不可或缺的一笔，中国亦然。