本
文
摘
要
2022年，在一次规模和影响都不算大的学术会上，来自罗彻斯特大学的Ranga Dias团队报告了一个神奇的发现：
他们合成了一种新金属氢化物材料，在并不算严苛的压力条件下，就能实现超导。
（现在我们知道，2022年8月，Dias团队就已经投出了论文，点击文末“论文链接”直达论文。）
会议是公开的，这一消息在高压物理领域和超导领域都不是秘密。
2023年3月，美国物理学会三月会议（APS March Meeting）上，来自罗彻斯特大学的Ranga Dias团队做了一些引起轰动的报告，包括Ranga Dias本人在内，他以及团队成员分别从不同方向报告了这一工作，这次给出的内容更加详实：
一种三元氢化物（镥-氢-氮），能在21℃、1GPa（1万个大气压）下，实现超导。
通过显微镜观察到的大约一毫米直径的氢化镥样本，这是罗彻斯特大学科学家兰加·迪亚斯实验室创造的一种超导材料。该合成图像是焦点叠加和色彩增强多幅图像的结果。（图片来源：罗彻斯特大学/J. Adam Fenster）
有消息说，因为房间里坐满了人，但还是有很多人想进去听，不得不出动安保人员在报告开始前赶走了很多行业大佬和旁观者，还提出了充满噱头的要求——不允许提问。
然而大部分人开始关注到这件事，是在北京时间3月8日的晚上，疑似来自投资圈的一组聊天记录在社交媒体迅速流传。
除了对Dias报告的转述，“科幻级别的技术”“常温超导”“应用特广”“炸裂”“全人类受益”以及其中提及的某些产业，无一不快速点燃了人们讨论的热情。
Dias的研究经历也不断被扒出：曾经轰动一时的金属氢以及它离奇消失的事情，登上《Nature》封面又被撤稿的事情，和理论物理大神Jorge Hirsch的“对峙”……
可以说，一番操作下，整件事的八卦属性被拉满了。
而北京时间3月9日凌晨，Dias团队的论文在《Nature》上的正式发表，更是给大家带来了新的 *** 。
Ranga Dias教授报告现场（图片来源：网络）
他的发现究竟是什么？是真是假？同行们多久能完成重复验证？如果是真的，会带来技术革命吗？
以及，我是不是该买点超导材料的股票了？（大雾）
满脑子的疑问和期待，大院er请中国科学院物理研究所从事高温超导机理研究的罗会仟老师为大家解答。
问题一：Ranga Dias团队具体发现了什么？为什么能引起这么大的轰动？
他们合成了一种“镥-氢-氮”的三元化合物，并声明它是 “近常压”的室温超导材料。
这里有两个点，一个是“室温”，一个是“近常压”。我们逐个来说。
根据论文数据，这种材料实现超导的温度能到21℃，虽然和我们默认的“室温”300K（约27℃）还有一点差距，但也基本上算室温了。
更重要的是，对这一领域来说，它的压力算是非常小的，被称为“近常压”。
请注意，这里的“近常压”是带引号的，因为它实际上有1万个大气压。
那为什么还能叫“近常压”？
这就要说起另一件事，Dias其实是做高压物理出身的，在高压领域，一般来说都是几百万个大气压，比如他2020年被撤稿的那篇《Nature》封面文章，实现288 K的超导需要267万个大气压。相比较而言，称1万个大气压是“近常压”就好理解了。更重要的是，1万个大气压其实在实验室也不算难实现，我们做人造钻石都需要五六万个大气压。
对于做高压物理、高压超导的研究者来说，怎么实现动辄几万甚至百万大气压的实验条件呢？
最简单的，我们可以挤压气体，想象家庭用的压力锅，实验上也可以把一些气体挤一挤，挤到很小的一个点上，那么压力就可以达到很高。
再比如有专业的像活塞圆筒这样的装置，利用它可以达到2-3万个大气压的条件。
但是如果需要更高的压力，比如百万级大气压的话，就需要用到世界上最硬的物质——金刚石。在一对磨平端面的金刚石形成 “对顶砧” 再使劲加压。
Dias在哈佛做博后时“寻找金属氢”的研究，用的就是这种看上去就很贵的方法。事实也确实如此，一对这样的金刚石价格大概在数万美元。
图片来源：Science
可以这么说，寻找到常压室温超导材料是超导研究者的终极梦想之一，而他们所报道的这种材料已经很接近了，所以大家感觉上是很轰动的。
不过，其实在研究者群体中，并没有像外界那么热烈的反响，大家还是持续关注、冷静看待的。
问题二：此前有被撤稿经历，这次的论文为什么依旧能发表在《Nature》上？
这篇文章我也进行了学习，应该说，还是有一些令人惊讶之处。
严格来说，判断一个材料是否属于超导体，必须有两个独立的电磁特性判据：1. 是否具有绝对零电阻；2. 是否具有完全抗磁性。
这就意味着要证明一种材料是超导体，要拿出绝对零电阻和完全抗磁性两方面的证据。
超导体的零电阻效应和磁场下的行为（图片来源：《超导“小时代”》）
而在高压情况下，做实验测量是比较困难的。
其中，电阻是相对好测量的，在金刚石里埋上几根导线，和样品接触上就能测量它的电阻，可是，磁信号的测量就没有这么简单了。
因为在高压下，由于有金刚石的巨大压力，还有其他很多实验装置，测到的磁信号绝大部分是整个装置的背景信号，这个背景信号实际上比检测到的材料的抗磁信号要大几个数量级。就相当于在一组万级的数字中，要找到10这种量级的变化。再举个不准确的例子，这比在拥挤路段车水马龙的声音中，听清一个人的呢喃，难度还要高。
但是Dias这次的工作中，不仅报告了零电阻的测量结果，也报告了抗磁性的测量结果，甚至他还给出了另外两个比较重要的测量结果，比热和拉曼光谱的实验结果。
可能是吸取了2020年那次撤稿的教训，这次他们想到了很多方面去补充数据，拿出了比较多的实验证据来支持结论，相当于从更多维度去证明了材料的超导现象，论文中也附上了所有的原始数据。
我想这篇文章之所以还是能被接收，最重要的原因就是这些完备的实验数据，我们能想到的在高压下测量超导的实验，他都做了。
当然，同领域的研究者们都可以去找到他们的原始数据，来分析验证这些数据的正确性或可重复性。
问题三：其他实验室能对这项工作进行重复吗？大概需要多久？
虽然论文中只告诉大家这种“神奇”材料由“镥-氢-氮”三种元素构成，也给出了可能的材料结构，但并没有讲具体制备方法，这意味着合成材料确实会有一定的挑战，特别是氮这个元素的加入，导致它和传统的稀土氢化物不太一样。
不过，对于从事这一方向研究的实验室来说，都积累了制备这类材料的经验，应该是可以制备出来的。
材料制备出来，其他的就好验证了，个人估计，可能需要几周或者一两个月的时间，就会有实验室能完成对这项工作的验证。
不过我们实验室不会开展对这项工作的验证，我所从事的是高温超导的机理研究，是非常基础的研究，大部分情况用的都是常压或零压的物理环境。我们主要是用中子散射的方式研究高温超导机理，想要弄清这种材料到底为什么会超导。
我们会使用中子作为介质，把中子“打”进材料里面，通过比较飞出来的中子来探测材料的各种性质，这种实验在常压下是比较方便的。如果能搞清楚某种材料为什么会超导，哪些因素是关键的，提高它的超导临界温度到底要靠什么方式，那么对实现室温超导也是有很大帮助的。同时，在这个过程中还可能会发现很多有趣的物理现象。
问题四：如果研究被证实是可重复的，这种材料将带来哪些变革？
如果这个工作被证实是可重复的，是真的，那确实对超导界会有比较大的“冲击”。
从1911年超导现象被发现至今，已过百年，寻找可使用的超导体是超导领域一直以来的梦想。
在100多年的时间里，科学家们主要做的一件事情，就是不断地寻找更高温度的超导体，刷新超导临界温度的记录。
各类超导体发现的年代和临界温度，插图为典型的材料结构（图片来源：《中国科学》）
为什么要做这件事？
一方面是从应用角度考虑，只有提高了它的临界温度，我们才可以不依赖那些低温设备，应用超导材料的成本才会大大降低。
另一方面是从物理研究角度来说，做物理的人总是希望能把“条件”推到“极致”。比如，做粒子物理研究时，希望提高对撞能量，去看最基本的粒子里面到底是什么，做天体物理研究时，希望能尽可能地提高研究尺度，去看宇宙的未来是什么样子的。我们做凝聚态物理时也一样，也有我们的目标，目前来看，我们总能找到临界温度更高的超导材料，那有没有超导材料的临界温度能达到室温？甚至有没有可能存在这样的“神奇”材料，在远超室温下，都可以实现超导？
大家都在执着地追求这个共同的梦想，如果Dias的这项研究被证实是可重复的，那我们就可以说这个梦想几乎是实现了，我们可以进入下一个阶段，再定一个新的目标，也是新的努力方向。
但是话说回来，我们聊聊大家最关心的应用问题。
即使这项研究被证实是可重复的，其实对应用来讲，并没有那么简单，还有很长的路要走，甚至有可能走不通。
因为超导材料的应用非常复杂，不只是提高临界温度那么简单。
如果一个超导材料能被应用，那么它要满足三个参数的要求，除了临界温度，还有临界磁场、临界电流密度。
以临界电流密度举例。
大家都知道超导体的电阻是0，理论上来说，按照欧姆定律，分母已经是0了，那分子随便来个数字，电流就是无穷大了。也就是说，随便加个电压，电流就无穷大。
可实际情况呢？
任何一种超导材料都有临界电流密度，也就意味着当电流大到一定程度以后，它突然之间就会“失超”，也就是突然间变得不超导了。
不超导了会怎么样呢？它突然间就会有电阻。本来在用它的过程中，就已经有了很大的电流，一旦出现电阻，它就会迅速发热，温度快速上升的后果是不堪设想的，甚至可以烧掉材料。
所以说，一种超导材料要想被应用，临界温度、临界磁场和临界电流密度都很重要，三个参数都要高，才能具备大规模应用的基础。
不仅如此，大规模的应用还有许多实际的问题。
比如无法避免的“量产”问题。要知道，高压实验所生产的材料基本都是微克或毫克量级的，是非常非常小的一块样品，但是工业上的要进行使用的话，至少要吨级的量，制备成本就会阻止它的应用。
再比如，想象我们要做一根超导电线，这并不难，但是如果我要用这根电线做一个磁体呢？那就要绕线圈或者其他形状，甚至要绞成电缆。这就意味着会出现很多不均匀的磁场的力，在受到这么多力的同时，还要求材料不能被破坏，这不是个容易实现的目标。
总之，从工程应用上说，有很多非常细节非常复杂的问题，对材料要求是非常高的。
这也是为什么在超导现象被发现的一百多年里，我们已经找到了一万多种超导材料，甚至有一些温度还算高，比如铜氧化合物的临界温度记录是134 K，铁基超导的临界温度记录是55 K，但是我们现在应用广泛的超导体依旧是传统的超导体，叫铌钛（Nb-Ti）。它是一种铌和钛的金属合金，柔性和韧性都非常好，好用，方便。
所以，大家一定要知道，并不是找到了一种室温超导体，就马上能用了，就立刻带来技术革命、能源革命。现在还远远到不了这个地步。
问题五：应用条件这么苛刻，超导材料的应用还有戏吗？
其实说到超导材料的应用，范围是非常广泛的，生活中也已经有了不少。
前面提到过，超导有两个基本的现象，绝对的零电阻和完全的抗磁性。所以在我们所知道的能用到电和磁的地方，都有很强的应用。
与此同时，超导现象本身就是一种宏观的量子凝聚态，所以和量子相关的领域它也可以应用。
具体来说，今天大家已经“不知不觉”得用上了一些超导材料的产品。
比如，深圳某著名大厦，使用了200多米的超导电缆。虽然超导电缆的造价比普通电缆高很多，还需要制冷设备提供低温环境，但是它输电是无损耗的，现在国产化的制冷设备成本也在降低，再考虑到深圳的土地价格，用超导电缆是十分划算的。
超导输电能极大减少能量浪费（图片来源：instituteforenergyresearch.org）
再比如，到医院做核磁共振，其实核磁共振的设备就是一个大超导线圈。医生可能会问你，要做1.5特斯拉（磁场）还是3特斯拉（磁场）的检查，这个磁场就是由超导线圈产生的。磁场强度越高，从人体获得的信号越多，现在全世界都在攻关14特斯拉的核磁共振设备，如果实现的话，可以让核磁共振图像达到亚微米分辨率。这是什么概念呢？我们大脑神经元就是这个尺度。也就是说，通过这样强度的核磁共振设备，能看到大脑神经元的活动。
除了生活中的应用，我们还期待更多优秀的超导材料在未来大展身手。
比如，在基础研究领域，用于制造超导加速器。想要看到粒子的基本属性，就要制造能量很高的加速器。这种加速器可以借助超导磁体来实现，比如20特斯拉以上的超导磁体。
再比如，应用于可控核聚变。如果有非常大的超导磁体来约束核聚变，那绝对是造福全人类的一件事，能够真正实现清洁、低损耗、高性能的发电，改变能源结构。
还有大家可能都听过的磁悬浮列车。如果制造出超导磁悬浮列车，安全性和速度将比高铁更加充满想象力。
前面提到的都是强电领域的应用，在弱电领域，超导材料的应用同样丰富。
我们可以做一些超导的小器件，像超导量子干涉仪（一种最灵敏的磁性探测装置），超导滤波器等。基于这些小器件，可以组合生产出更多器件，它们的应用就更加广泛了，比如组成超导量子计算机的基本单元。如果超导量子计算机能实用化，给我们的科技、生活带来的变化都将是巨大的。
可以说，近几年超导材料的发展非常迅速，各方面投入都在加大。
回到Dias团队的这项研究，我想给大家一个建议，可以关注，但没必要太激动。还是那句话，一种材料从研究到实际应用，往往是要经历漫长过程的。他们所报道的这种材料，是否能被重复实验，以后到底能不能大规模应用，目前看都是要打很多问号的。
问题六：“AI for Science”背景下，人工智能对超导领域的影响正在发生
在Dias的研究中，我们也看到了AI的身影，这也是现在科研的趋势。
以前我们找新的超导材料，基本上都是“盲目”瞎试，其他领域的人评价我们说，“你们做超导材料就是‘炒菜’，就把几个元素混一混调一调，看它能出来什么样的一个稳定结构，然后再看它能不能超导。”
整个凝聚态物理其实也是在做这件事，合成不同的新材料，再去看材料性能。
但现在不一样了。我们的计算机能够轻松地算出材料结构、甚至是性能，比如我们物理所就建了一个材料数据库，里面有几十万种材料的结构、基本性质和电子结构等，只需要点击几个元素符号，系统会告诉你这种材料是否存在、基本性质是什么，这就是数据库工具的力量。
更进一步的，现在AI技术不断发展，给出限定条件，它就可以帮助研究人员去搜索，找到可能符合条件的材料后，再利用超导的BCS理论，去计算是否能超导、超导临界温度是多少。不过话说回来，要用AI来寻找BCS理论之外的非常规超导体，目前来看是不现实的，因为还没有合适的理论可以描述电子-电子具有很强关联效应下的非常规超导现象，更不用说AI能不能帮忙了。
图片来源：Pixabay
理论物理学家与实验物理学家之间是什么样的关系？
聊点题外话。
因为提到Dias，总是绕不开之前和他“对峙拉锯”的理论物理学家Jorge Hirsch。
图源：知乎网友@千张
APS会议现场图。胳膊缠绷带的是Jorge Hirsch老爷子，端坐的是Ranga Dias，据说虽然不让提问，俩人现场休息时也交流了下（图片来源见水印）
抛开二位，我想聊聊理论物理学家与实验物理学家之间的关系。
到今天来看，二者之间的间隙其实是越来越大，甚至可以说是“渐行渐远”了。
现在的科研分支越来越多，研究领域也越来越多，这都导致能研究的项目和议题都越来越多了。这就导致一个结果，就是一个人可能没法集中精力去做多个领域的研究，特别是兼顾理论与实验。如果这样做的话，可能很难发论文，也可能很难拿到经费。而现在纯理论物理学家们发展了很多理论模型，其中很多用实验是很难验证的，从实验物理学家的角度说，很难有充足的时间和精力去学习那么多理论，很难搞懂那么多理论的对错，更难弄清楚哪些理论对实验是适用的。
这是一个现实的情况，导致理论和实验的结合不是 *** 密，或者说理论和实验并不是严格同步的。
这就导致可能会出现这些情况：理论物理学家们热衷于建立自己的理想模型，如果模型和实验数据对不上，那就根据实验数据去调模型，而实验物理学家们则做实验，找新材料，再看实验现象和哪个理论最靠近，就套哪个理论，不太相符的话，再解释一下这个理论可能有什么问题。
实验不能完全验证理论的正确与否，理论也不能完全预测研实验的准确性。
我想也许不止物理领域，其他领域可能也出现了这种现象。
写在最后：学术圈也在追求 “大新闻”吗？
回顾这次事件的全过程，无论是学术出版方还是新闻媒体的做法，不管是论文在《Nature》上线的时间，还是APS会议现场“不允许提问”的奇特要求，似乎都有“博眼球”的嫌疑。
不过与此同时，我们也要关注到，除了发表Dias的论文，其实《Nature》还上线了同行科学家的评论。在评论中，他们都提到了这项工作的重要性和可能存在的疑问，非常清晰。《Science》也上线了一篇对这一工作的评述文章。这些专业的学术评论文章，大家都可以看看。
我觉得这也是科学研究很有魅力的地方，我们可以不断去质疑、去证伪，即使是“大战”过的Hirsch和Dias，大家也不会现场真正动手吵起来，而是以科学事实为依据去讨论问题。
最后，也许明天，也许下周，你就会不记得今天发生了什么。在喧嚣过后，依然想恳请大家给基础科学研究更多支持，说不定哪一天又有新的热闹出现。
作者：罗会仟（研究员，科普作家）
作者单位：中国科学院物理研究所
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转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：科学大院
编辑：小聪
