新室温超导材料频遭质疑，前景曲折

超导材料是一种革命性的材料。它在宏观和微观上都呈现出独特的电磁特性，在超导状态下具有零电阻特性，可以在极小面积的电磁铁中通过巨大的电流，从而产生场强极高的磁场。超导材料可用于信息通信、强稳恒磁场、工业加工、无损耗输电、生物医学、磁悬浮运输和航空航天等领域。

目前，只有以铌系合金为主的低温超导材料实现了规模应用，其只能在40开尔文以下（约-233.15℃）的液氦温度区域工作，低温环境成为了超导技术大规模应用的瓶颈。以钇钡铜氧为主的高温超导材料（部分能超过液氮沸点，约-196℃）主要处于应用示范或者开发阶段，离实际推广还有着不小的距离。无需极低温或者极高压就可以使用的超导材料被称为室温超导材料，是目前研究界苦苦追寻的目标，该材料能让各种电器的电阻为永恒零状态，传输电阻就不会再有损耗，也不会发热，而且电线两端也不再需要电压了。这一发现若能被充分研究并获得广泛应用，必将改变人类世界的生活方式，例如：电力传输将可以节省大量能源，人们可以构建更强大的粒子加速器、核聚变反应堆、量子计算机等设施。

一、室温超导材料的发展史：绕不开的高压

富氢超导材料是目前唯一能够实现室温或者接近室温的超导材料，关于富氢超导材料的研究，主要分为理论物理和实验物理两个领域。

在理论物理领域，自诺贝尔物理奖得主尤金·维格纳（Eugene Wigner）和物理学家希拉德·亨廷顿（Hillard Bell Huntington）于1935年从理论上证明金属氢在极高压下有可能存在以来，有关氢的绝缘相和金属相的状态方程、结构相变、有序-无序相变、绝缘-金属转变、金属氢物理性质理论研究以及富氢材料理论研究一直持续不断。其中，1964年美国科学家威廉·雷透（William A. Little）提出了一维聚合物有机超导体的概念：超导体可能存在于一维有机聚合物中，其超导转变温度会远高于室温，这也是最新研究的灵感来源。

在实验物理领域，实验科学家将理论预测变为现实的路径可以分为两类：

1、从金属氢着手。由于种种原因，目前金属氢是否真的找到、能否实现室温超导还是一个谜团。这一路径十分艰难，整整70年毫无突破。直到2017年，刚刚从哈佛大学博士后毕业的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）与他的导师等人宣布在495万个标准大气压下找到了金属氢，论文发表在《科学》期刊上。但是，在尚未检测这一材料的超导性之前，该团队却表示实验过程中不小心破坏了样品，引起了大量争议。

2、从多元氢化物着手。最新的“室温超导”材料（21℃和大约1万个标准大气压）引起了全球的广泛关注。但由于团队本身的学术研究历史，学术界多呈谨慎态度。该方法是通过元素间的化学键来产生足够大的化学压力，以接近金属氢的特性。2015年，德国马普研究所的两位物理学家报告：硫化氢可在203K（约-70°C）温度下出现超导电性，压力为220万个大气压。2018年，两个独立研究小组几乎同时报告：氢化镧在高压和215K-280K（约-58℃到7℃）下有超导性出现。2020年10月，《自然》以封面论文的形式，报道已在美国罗切斯特大学任助理教授的兰加·迪亚斯（Ranga Dias）合成了一种含有氢、硫和碳的化合物，在250万个大气压下，其可以在高达287.7±1.2K（约15°C）的临界温度下实现室温超导，这是超导材料的临界温度首次突破到0℃以上，该研究入选了2020年《科学》杂志评选的“年度十大科学突破”。此后两年，多个研究组试图重复该实验未果。并且，由于原文未披露原始数据，多人认为作者在磁化率的数据处理中使用了错误的方法，得到了并不能算正确的结论。在大家的一致抗议下，2022年9月《自然》撤回了这一文章。2023年3月，迪亚斯团队的新“室温超导”材料引发全球瞩目，目前有诸多实验室正在跟进此研究。其中，南京大学物理学院闻海虎教授团队于5月11日在《自然》上发文否定了美国罗切斯特大学研究团队提出的镥-氢-氮化合物中的室温超导现象，闻教授成功制备出了结构与罗切斯特大学报道一致的镥-氢-氮材料，并且利用本组具备的高压下电阻和磁化精密测量技术，证明了该材料即便在40万大气压下、温度低至2K也没有观察到超导现象。此前，中科院物理所的两个团队报道了不含氮的镥氢化物不存在近常压的室温超导现象。靳常青团队发现Lu₄H₂₃相只有在218万大气压下，在71K以下才出现超导电性；程金光团队测量了镥氢化物（LuH₂）的颜色和电阻随压力的变化，发现颜色变化规律与罗切斯特大学一致，但是加压到7.1万大气压，降温到1.5 K也没有发现超导。

二、新室温超导材料疑点尚存，距离实际应用尚有非常遥远的距离

针对迪亚斯团队的最新研究成果，《自然》和《科学》分别同步上线了评述文章，表达了对未来前景的企盼，但是也表达了对研究数据是否能够百分之百支持室温超导这一结论的一些担忧，目前已发表的跟进验证结果均持否定意见。中科院物理所罗会仟研究员表示，对比科学界对上一次“室温超导”和这一次“新近常压室温超导”的不同态度，说明科学界对室温超导的求证能力在迅速提升。未来不管是谁，要想宣布室温超导这样的大新闻，一定会更加慎重。总之，室温超导希望之光还在，但前途依旧充满曲折。

室温超导最新研究尚未盖棺定论，即便最后有望为真，它离应用依然非常遥远，主要原因包括：

1、在工程上，解决高压是一件非常困难的事情，该超导材料所需的1万个标准大气压虽然在实验室不是难题，但在应用中仍然是一个很大的挑战。例如，在超导材料能够带来革命性创新的核聚变装置中，如果要对每个磁体的每个部分都施加1万个大气压，基本不太可能做到。

2、是否能够产业化取决于此类材料能否在常压下恢复超导性质。例如，金刚石是一种在高压下合成、并在常压下稳定的亚稳态材料；随着科技的发展，人们发现合成金刚石可以在低压下使用化学气相沉积法制成，理想情况下，最早在高压下发现的亚稳态超导化合物也可能可以采用类似的低压制备法。物理学家希望此类超导体的研究能为更低压强下的室温超导材料开发铺平道路。

3、从理论价值上来看，此类富氢高压超导材料并未脱离BCS理论（注：超导BCS理论于1957年提出，能够解释当时发现的几乎全部超导现象。该理论认为，常压下超导体的临界温度不会超过40K（零下233℃）；而高压下临界温度则会提高。发现能够突破BCS理论的铜氧化物超导的科学家仅用一年就获得了诺贝尔奖），对非常规超导理论研究的推动作用不大。对于超导物理学家来说，找到更好的超导材料固然重要，但是他们更关心一些不寻常的材料是否带来了无法解释的新现象，甚至激发新理论的诞生。只有这样，才能带来真正有重大价值的科学研究。

4、镥是稀土元素中最稀有的一种，其自然储量将会是最难突破的瓶颈。一个很现实的挑战是，这种金属在地球上储藏量是非常有限的。目前，镥元素仅在极少数材料领域被应用，暂时还没有短缺问题。一旦需要大规模用于合成室温超导材料，短缺是无法绕开的难题。

参考文献：

1、Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride[J]. Nature 586, 373–377 (2020).

2、Ming, X., Zhang, YJ., Zhu, X. et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy. Nature (2023).