i-Refill | 陈仙辉院士：室温超导体到底什么时候能实现？目前为止我们也没法预料

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室温超导、量子材料……这些都是经常出现在热搜上的名词，到底相关研究发展到了哪一步？哪些方向可能会产生重要突破？这是一篇专访文章，受访人是从事超导和关联电子体系研究的中国科学院院士陈仙辉。本文来自科学大院授权转载，希望对您有所启发。

全文共3223字

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Q1

从去年以来，室温超导特别受到大众和产业的关注，您怎么看待这种关注呢？未来室温超导有可能实现吗？

陈仙辉：为什么室温超导体受到了社会各界的广泛关注，就是因为它可能会给人类社会带来巨大的改变。如果超导在室温下就能实现，也就是说它的临界温度不再是应用的主要限制，那可以想象，它在成本方面、应用场景方面都将得到大大的解放。

去年有两个报道。一个是美国罗彻斯特大学的迪亚斯，他报道在某一种富氢材料里面，一个吉帕下就可以实现室温超导。当然后来证明这个结果是有问题的，他发表在Nature的这篇文章3个月以后就被撤稿了。另外一个是韩国科学家报道LK-99材料体系里面实现了室温以上的超导。后来证明是其中含有一种叫硫化亚铜的材料，它在室温之上有一个相变，而在这个相变过程中，伴随着电阻有几个量级的下降，也有相应的磁性变化。所以这应该也是有问题的。

那么，室温超导体到底什么时候能实现？实际上，全球超导领域的科学家一直在探索。科学的发现有它的偶然性，也有它的必然性，到目前为止我们也没法预料。但是从科学的角度来讲，没有任何一个理论和任何一种说法说室温超导体不可能实现。既然这样，我们必须根植在这个领域里面踏踏实实地工作、积累。

目前超导领域中，中国科学家做的还是不错的，有些部分也是领先的，是值得期待的。像镍基超导，我们中国科学家报道了在高压下液氮温度之上的超导现象。所以高温超导除了原来的铜基、铁基，又加上现在的镍基。当然镍基高温超导还有一个问题，就是要在一定的压力下面才能实现，而铜基跟铁基是在常压下。

Q2

那同属于高温超导，铜基和铁基超导体分别有哪些优势呢？

陈仙辉：超导的应用有三个物理指标。一般的科学爱好者会问：“你们超导现在临界温度多高了？”就是指发生超导转变的温度。实际上还有两个重要的指标，一个是临界电流密度。什么意思？就是超导体处在超导态的时候，通电流不是没有能耗嘛。但实际上如果通的电流超过一定数值后，是可以把超导态破坏的，就变成正常金属了。那么这样一个电流的值就对应了超导体的临界电流密度。超导还有一个指标是临界磁场，同样的，一个超导体放在磁场里面，达到一定磁场的时候，超导态就给破坏了。所以超导的应用必须在临界温度以下，必须在临界电流以下，必须在临界磁场以下。我们当然希望临界温度越高越好，希望临界电流密度越高越好，希望临界磁场越高越好。

到目前为止，在常压下，铜氧化物具有最高的超导转变温度，在135K左右。135K是什么意思？K是开尔文温度，0℃等于273.15K。所以135K是零下将近140℃，用77K的液氮就可以冷却。而铁基超导体虽然超导转变温度比铜基要低一些，但它的临界电流密度非常高。尤其是在非常强的磁场里它还有很大的临界电流密度。这是有广泛应用场景的，因为超导的很多应用都是在强磁场下。

Q3

现在石墨烯也是大家经常听到的一个词，它是一种怎样的材料？

陈仙辉：石墨我们都知道，我们小时候干电池里面那个黑的碳棒就是石墨。石墨的结构是二维的，在层间是范德瓦尔斯力，所以很容易解离。后来科学家就解离出了单层的石墨，就是现在讲的石墨烯。

石墨烯是一种量子材料，具有拓扑物理，存在狄拉克型的线型色散能带，有些特性表现非常奇特。例如它的导电性居然比金属里最好的银更好，这是由于它特殊的量子效应所带来的。它还有最高的导热性，所以一个广泛的应用是作为传热和散热的材料。这在电子产品的应用里尤其关键，包括我们手机、计算机都需要散热。另外所有电子产品探测信号时，热量一高探测效率马上就下降。所以从这个角度来讲，它的用途非常大。

Q4

您还在研发一种新材料叫做黑磷？它相比石墨烯有什么特色？

陈仙辉：石墨烯作为一种量子材料非常热，不过我们还希望能找到一种取代硅来做逻辑运算的信息支撑材料。但是非常遗憾，石墨烯是线性色散、无能隙的材料，所以它不属于半导体，无法做逻辑运算器件。

当时我就在思考，有一种材料叫黑磷，人类发现它也已经有100多年了，但大家一直没关注这个材料。在发现石墨烯以后，我就意识到黑磷是可能作为半导体材料的，因为黑磷是有带隙的，带隙是0.3个电子伏特。与之相比硅的带隙是1.12个电子伏特。所以我们组首先合成了作为量子材料的黑磷，后来跟复旦大学的张远波老师合作，在2014年发表了第一篇黑磷可以作为半导体材料应用的文章。到现在这篇文章的引用已经接近7600次了，在科学界算是非常高的，也说明这个材料受到了全世界科学家的关注。

后来发现，黑磷还有很多优越的特性，比如说硅的电子迁移率是500到1000cm2/(V·s)，黑磷的迁移率高达10000cm2/(V·s)以上。而电子迁移率高，就可以提升计算速度。当然它也有很多的问题，例如硅作为半导体加工需要很大的晶圆片，比如大家通常听到的12英寸晶圆片。那么现在世界范围内有不少科学家在花很大的精力生长黑磷，看能不能实现大面积生长，然后才有可能应用到半导体器件上。所以现在黑磷正被全世界的科学家研究，我对它也寄予希望。

Q5

量子物质前沿领域的特点是和实际应用需求密切相关，能否举下具体的例子？

陈仙辉：像我刚才讲到的超导，是人类观察到的第一个宏观量子效应，在1911年就被发现了。大家知道，量子力学是在20世纪三四十年代才完善的。也就是说在量子力学完全建立之前，已经发现了量子力学原理下的宏观量子效应，也就是超导态。超导体处于超导态时通以电流没有损耗，这种量子宏观效应已较为广泛地应用于我们的生活、医疗和科研中。医院里的磁共振成像，支撑它的磁体就是超导体。只要让超导体冷却到超导态，由于没有损耗，通以电流就可以持续产生强的磁场。现在我们磁共振成像需要3特斯拉（T）左右的磁场，可以想象，如用铜线来绕线圈通电流产生这么大磁场的话，就需要一个很大的供电系统。而因为铜线有电阻，要损耗能量发热，所以还需要一个庞大的冷却系统。但现在医院的磁共振设备就不需要这些，这是超导的一个典型应用场景。

实际上超导的应用范围还有很多。像现在到大学、研究所里面去，能看到有大量基于强磁场的研究，这些磁体基本上都是用超导材料实现的。包括一些大科学装置比如欧洲核子中心的大型强子对撞机，是现在世界上最大的加速器，它里面控制和加速电子都是通过超导体实现的。还有可控核聚变的托卡马克装置，比如合肥等离子体所里的，就是用磁场来约束等离子体，这也需要用到超导体。

除了零电阻之外，超导的另一个特性是完全抗磁性，它的内部是没有磁力线穿透的，而其他所有的物质都能被磁场穿透。超导还有两个对应用非常重要的性质。在弱电应用方面是约瑟夫森效应，它是一种超导电子的隧道效应，对磁场的敏感度非常高，可以测量到一个磁通量子，相当于地磁场几亿分之一的磁性，所以可以做很多微弱信号的探测。约瑟夫森效应在信息技术里面也有重要应用，包括现在做的超导量子计算，是实现量子计算重要的方案，我们国家在这方面取得了很大的进展。第二个方面是强电应用的磁通量子化，可以通过磁通钉扎来实现磁悬浮，制造磁悬浮列车。

现在推动我们人类社会发展的主要是信息技术、能源技术和生物医药技术。超导体作为一种量子材料，它可以同时支撑信息技术和能源技术，这就可想而知，为什么超导这么被大家关注、被大家期待。

Q6

未来15年是量子物质有望实现多点突破的关键时期。那您预见在量子物质研究中哪些方向可能会产生重要突破呢？

陈仙辉：目前，超导还有很多潜在的应用，比如超导磁悬浮列车、超导输电，这在物理上是没有任何问题的。但它牵涉到材料体系的问题，牵涉到运行成本的问题。一项技术的应用和成熟，往往需要其他配套技术的支撑。假设配套技术的支撑能够大大地降低成本，我想这个应用就可以推广到很多方面，同时产生巨大的经济效益和社会效益。实际上，我们国家在上海，在深圳，已经尝试了千米级的超导输电。如果再出现一些技术突破，在未来15年里更大规模的应用是可能的。

中国科协在2023年发布的重大前沿科学问题里提出的第一个问题就是如何实现低能耗人工智能，这是人类当下迫切需要解决的重大问题。像量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应还有超导，这些都是无损耗的物理效应。如果在未来15年里，这些量子材料能在电子器件尤其是逻辑运算器件方面有所突破的话，就可以大大地降低人工智能的能耗问题。

这条路要走多远才能达到，我们还并不清楚。我想在未来15年里面，还会出现很多新的突破以及相关的应用，可以说这是一个充满希望的领域。

本文转载自科学大院，观点不代表IDG资本立场。

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