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室温超导

室温超导

室温超导（room-温度 superconductivity）为在室温条件下所能实现的超导现象。超导现象是指某些材料在温度降低到某一临界温度（Tc）以下时，电阻突然消失（零电阻效应），同时外磁场磁力线全部排出体外（完全抗磁性）的一种电磁现象，具备超导现象的物体为超导体。

1911年，荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失，标志着超导现象被发现。随后，一个世纪中，科研学者对超导现象的原理研究以及材料的寻找在进行不断的尝试和努力。2019年，室温超导的研究获得了进一步突破。当时美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化（LaH10）在190万个大气压下，可以在逼近室温的260K以上出现超导性，这是曾经超导临界温度的最高纪录。2023年7月22日，韩国量子能源研究中心（Q-centre）、高丽大学等团队的研究人员提交论文，宣布成功合成了世界上第一个室温常压超导体，但该研究样品被指有瑕。

概述

超导现象是指，某些材料在温度降低到某一临界温度（Tc）以下时，电阻突然消失（零电阻效应），同时外磁场磁力线全部排出体外（完全抗磁性）的一种电磁现象。这让超导体在传输电能的过程中几乎没有能量耗损，且每平方厘米超导材料上还能承载更强的电流。而一般常规的材料，在导电过程中都会损耗大量的能量。而室温超导就是某种材料在室温条件下（约300 K或更高）能形成的超导现象。多位研究人员已经声称发现了室温超导体，但都尚未得到证实。

超导原理

超导原理为超导电性量子理论（BCS理论）常温下，在金属导体中充满了摆脱了原子束缚的无序排列的自由电子，在一-定的电压下，它们的定向运动就形成了电流。在这种定向运动中，电子受到的阻碍称为电阻。当温度下降到超导临界温度以下时，自由电子不能完全无序地运动，由于晶格的振动作用，有一部分正常电子会两两凝聚成--个电量为2e的库柏电子对（T-0时，电子全部“凝聚”成库柏对）。当库柏电子对与晶格相互作用时，两电子的动量可彼长此消，但它们的总动量始终保持不变。因此电子对2e几乎不受晶格的散射作用，宏观上便表现为直流电阻为零。

温度越低，库柏电子对越多，电子对的结合越牢固，不同电子对之间相互的作用力越弱。在电压的作用下，库柏电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。当温度升高后，出现不成对的单个激发电子，相当于正常的电子，而且电子对因受热运动的影响而遭到破坏，吸引力减弱，结合程度变差。温度越高，库柏电子对的数目越少，直到临界转变温度时，电子对全部拆散成单个的正常电子，超导态转变为常导态。这就是超导电性量子理论。概括起来，它的主要内容是：

①超导电性来源于电子间通过声子作媒介所产生的相互吸引作用，当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对，就是上面讲的库柏对。从而导致超导电性的出现。库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是这种库柏对的结果。

②元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N（EF）和电子声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。

该理论是在1957年由美国物理学家约翰·巴丁（J.Bardeen）、库柏（N.Cooper）和施里弗（J.R.SCchrieffer）提出的，所以又被称为BCS理论。该理论是从微观角度对超导电性机理做出合理解释的最富有成果的探索，也可以得到磁通量量子化的结论。它是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前唯一成功的超导微观理论。后来又有一些形式上的发展和完善，但基本思想没有太大的变化。

发展历程

超导现象的发现

1882年荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）成为莱顿大学物理系教授，将实验室的主攻方向定为低温物理学，并在２年后创建了闻名世界的低温研究中心—莱顿实验室。1911年，昂内斯利用液氨将金和铂冷却到4.3K以下，发现铂的电阻为一常数。随后他又将汞冷却到4.2K 以下，测量到其电阻几乎降为零。在3K时，他发现电阻降到3×10－6以下，这是第一次观察到的超导电性。1913年，昂内斯又发现锡和铅也和汞一样具有类似现象。他意识到，在非常低的温度下，某些物质的分子热运动会接近消失，出现电阻趋近于零的现象，他把这种现象称为超导，处于超导状态下的物质是超导体。科学界很快意识到了昌内斯工作的科学价值。1913年9月在华盛顿哥伦比亚特区召开的第三届国际制冷会议上，海克·昂内斯正式提出了“超导态”概念。

超导体的零电阻效应被发现后，人们也许是惊喜万分，在相当长的一段时间里，一直误认为超导电性是超导体的最本质的性质，却忽略了超导体的磁性质。1933年，迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔特（Ochsenfeld）在实验中发现：在临界温度以上，将具有超导电性的物体移入磁场中，当温度降低到临界温度以下转变为超导态后，磁场完全被排斥到超导体之外，超导体内部磁场为零。后来称这一发现为“迈斯纳效应”。但是这个时期还是认识超导机制的起步阶段。

在20世纪30年代，超导研究取得了突破性进展。1934年高特（C.J.Gorter）和卡斯米厄（HBCasimir）提出了二流体模型。1935年伦敦兄弟（F.London 和HLondon）提出了著名的伦敦方程，这一方程能描述超导体的零电阻特性及迈斯纳效应，同时引入了穿透深度的概念，即外磁场在超导体中的衰减长度。随即，1950年，金兹伯格（VLGinzburg）和列夫·达维多维奇·朗道（L.DLandau）提出了一个基于二级相变的使用序参数描述超导的唯象理论，被称为Ginzbrug-Landau（G-L）理论；1953年，皮帕尔德（ABPippard）引入非局域超导电动力学，发展了伦敦理论，并提出超导相干长度的概念。

1957年，巴登（Bardeen）、库珀（Cooper）和史雷夫（Schrieffer）三人共同建成了完整的超导微观机制，即BCS理论，成功地解释了超导现象。根据这一理论，超导电性的起因是在超导体中费米面附近的电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引作用，由于这种吸引作用，费米面附近的电子两两结合成对，形成了“库珀对”。当超导金属处于静电平衡时（没有电流），每个“库珀对”由两个动量完全相反的电子所组成。同年，阿布里柯索夫（AAAbrkosov）在超导正常态负界面能情况下求解G-L方程，从而预言了第I类超导体及磁通量点阵的存在，戈尔柯夫（L.PGorkov）则证明G-L方程可由微观理论导出，故也将G-L理论和阿布里柯索夫及戈尔科夫的理论通称GLAG理论；1962年，布赖恩·约瑟夫森（BDJosephson）在理论上预言了超导的约瑟夫森效应，即库柏对的隧道效应。

在实验方面，1950年，詹姆斯·麦克斯韦（E.Maxwell）和雷诺（C.AReynolds）发现了超导的同位素效应；1953~1960年间他们利用各种实验方法对超导体的研究表明，在电子激发谱中存在能隙；1961年发现磁通量量子化：1967年观察到超导处于混合态下的磁通晶格；自1964年以来对宏观量子干涉现象也进行了大量的研究。

1987年2月，美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在YBa2Cu3O6+体系存在90 K以上的Tc，超导研究首次成功突破了液氮温区（液氮的沸点为77 K），使得超导的大规模研究和应用成为可能。

室温超导

2000年，在离子注入工作中从金刚石中提取电子时，约翰·普林斯（Johan Prins）观察到，在气压为10-6毫巴时，掺氧IIa型金刚石表面形成的相中出现了室温超导现象。实现这种情况的唯一方法是让间隙内提取的电子形成超导相。因为电子是费米子，所以它们最近邻的距离和速度有增无减，最终会迫使它们违反海森伯格不确定性关系。在这个极限下，它们成对地被限制在体积或“轨道”内，而这些体积或“轨道”又填充了金刚石和阳极之间的整个空间。因为这些“轨道”的自旋为零，所以它们是类似玻色子的电荷载流子，并且由于它们在物理上尽可能接近，它们会自动构成萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚体；即它们构成超导相。

2014年，《自然》杂志上发表的一篇文章提出，一些材料，例如YBCO（氧化钇铜），可以使用红外激光脉冲在室温下短暂超导。

室温超导之路可以追溯到20世纪60年代的一个预言，即氢原子团如果被充分压缩，可能会转变成一种在高温下超导的金属。虽然氢金属化的压力非常大，但超导探索者试图在较低的压力下使用被称为氢化物（hydrides）的富氢化合物，寻求类似的效应。第一批氢化物超导体的成果终于在2015年出现，引发了一场“氢化物热潮”，并连续打破超导高转变温度的记录。这是由于过去15年理论进步的推动，有了适用于超导体新的密度泛函理论和越来越强大的晶体结构预测方法，理论学家们通过计算指导实验。科学家们还提出了两个新的研究方向。第一个研究方向涉及在氢化物中添加第三元素，这增加了可能的结构数量，因此也增加了优化化学压力的选择。第二个研究方向是，用其他轻原子取代氢。

2019年，室温超导更进一步发展，此时，美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化镧（LaH10）在190万个大气压下，可以在逼近室温的260K以上出现超导性，这是曾经超导临界温度的最高纪录。

潜在应用

电力应用

超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有截流大师能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。它由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分组成。

生物医学应用

超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR）。核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。目前，核磁共振成像装置已广泛用于医学诊断中，例如用于早期肿瘤和心血管疾病等的诊断，它能准确检查发病部位，无损伤和辐射作用，并且诊断面非常广。

交通应用

超导线圈可以承载很大的电流，形成强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时，由于完全抗磁性，超导体内部会产生一个相反的磁场，使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向，可以使列车保持向前运动。

电子学应用

超导量子干涉器（Squid）、超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。其中SQUID磁强计能够测量非常微弱的磁场，其分辨率能够达到10-11高斯左右，可以用来测量人体的微弱磁场，描绘出心磁力和脑磁图。超导粒子探测器具有很高的灵敏度和纳秒级的速度，可以用来检测从亚毫米波段到远红外波段的电磁信号。

研究进展

室温超导的实现，有三条路线可以尝试：1、合成新的材料；2、改进现有材料；3、特殊条件调控材料。合成新的材料是最困难的，因为没有可靠的经验，自行探索。改进现有材料，比如改进现有的铜氧化物高温超导材料的质量，对其进行化学掺杂等改造，以期获得更高临界温度的超导体。特殊条件调控，指的是利用高温、高压、磁场、光场、电场等方式调控材料的状态，在更高温度下形成超导态。

逐步接近

2004年，在环境温度逐渐上升甚至超过水的沸点时，碳纳米管有可能进行几乎无阻力的电流传导。他们认为，这种微型管将是室温下具有超导性的第一种超导，虽然这种超导过程还不是完全无阻力传导，但已接近迄今所能达到的最佳超导效果。

2021年，5月27日俄罗斯量子中心科研人员首次在室温下获得了磁性超导材料。有关专家认为，借助该技术未来可创建不需要复杂和昂贵冷却装置的量子计算机。相关研究发表在《科学报告》杂志上。

争议事件

2020年，Snider等人在267 GPa观察到氢、碳和硫化合物的超导转变温度高达288 K，已经达到室温，这在当时被视为迈向室温超导体的里程碑。但遗憾的是，它的化学成分和晶体结构至今仍然不确定，该实验目前也面临着诸多质疑，该文章最近已被《自然》杂志宣布撤稿。

2023年7月22日，韩国量子能源研究中心（Q-centre）、高丽大学等团队的研究人员提交论文，宣布成功合成了世界上第一个室温常压超导体，即在常压条件下，一种改性的铅-磷灰石（命名为LK-99）能够在127℃（Tc≥400k）以下表现为超导体。但让本次研究产生争议的是，本次研究实际上关联到两篇论文。从时间线上来看，第一篇提交于7月22日7时51分，第二篇则于7月22日10时11分提交，两篇提交时间相差不足2.5小时的论文均发表在预印本系统arXiv，尚未经同行评议。两篇文章作者人数不同，但有两位重合。就论文本身内容来看，第二篇更为详尽。其中上述第二篇论文的作者之一、美国威廉与玛丽学院的物理学教授Hyun-Tak Kim在接受采访时则直接表示，第一篇论文里存在“许多缺陷”，并且未经他的允许就被上传了。