半月談記者 白瑜

要說物理學最大分支——凝聚態物理最容易“上頭條”的題目，高溫超導無論如何可算其一。世界上任何角落的科學家宣稱在此方面有所突破，消息不僅會傳遍科學界，還會成為百姓群眾街談巷議的熱點——當然，數據不要造假。如果像2023年那位美國科學家一樣材料沒造出卻造了烏龍，也會成為傳世笑柄。

今年2月，一支由國家最高科學技術獎獲得者薛其坤院士領銜的中國科學家團隊，宣布發現常壓下鎳氧化物的高溫超導電性。這一登上《自然》的成果，是國際物理學界交口稱贊的高溫超導研究最新突破。那么，中國科學家們的貢獻，到底有多神奇？高溫超導，這次“高”在哪里？

讓我們先從超導是什么講起……

如何解除“低溫封印”？

為什么大家都關心超導？

想象一下，有一根神奇的電線，日常輸送電流，基本沒有發熱或者損耗能量的情況，甚至可以一直保持電流的流動。這聽起來是不是有點像魔法？其實，這就是超導現象的寫照。關鍵在于，它居然可以傳遞能量不打折扣！

時間回到百余年前的1911年，荷蘭物理學家昂內斯在實驗室里意外發現，當他把汞冷卻到約4K（“K”為熱力學溫度單位“開爾文”，4K=-269.15℃）時，汞的電阻突然消失，這意味著電流可以在其中毫無阻礙地流動，就像在光滑的冰面上滑行一樣。昂內斯興奮地將這種現象命名為“超導”，從此，人類開啟了對超導世界的探索。

然而，超導現象剛被發現時，就像一處冰封的寶藏，雖然誘人，但卻難以觸及。因為要讓材料達到超導狀態，必須將其冷卻到極低的溫度，這需要依賴昂貴且稀缺的液氦來實現。液氦制冷成本極高，使得超導技術后續幾十年間難有突破，科學家實現的超導溫度一直在23K（-250℃）以下徘徊，仿佛被看不見的魔咒封印。

直到1986年，兩位歐洲科學家意外發現銅氧化物在相對“高溫”（-238℃）下就能實現超導。這個溫度雖然仍然很低，但已經可以用更便宜的液氮（-196℃）來實現制冷了。

同年年底，中國科學家趙忠賢帶領團隊合成出一系列銅基超導材料，其中兩個樣品的超導轉變溫度分別為48.6K和46.3K，這是當時世界上的最高紀錄。

更重要的是，銅氧化物超導體的發現，為超導技術的實用化鋪平了道路。畢竟，10K左右的溫度提升，也足以讓大家對高溫超導的前景恢復信心。這一發現如同在寒冷的冰原上點燃了一把火，讓超導技術打破“低溫封印”融入生活世界有了希望。

火山口上“繡花”

經過數十年探索，科學家相對熟悉的高溫超導材料家族已經有了三位主要成員：銅基、鐵基和鎳基。如前文所述，銅基、鐵基都已在常壓下跨過破40K的超導效果界標——“麥克米蘭極限”，薛其坤院士團隊的最新成果，讓鎳基材料追上了兩位前輩，同樣沖破了“麥克米蘭極限”封鎖線。

薛其坤團隊合影

近年來，鎳基超導以其豐富應用潛力，已成為超導研究“兵家必爭之地”，各家用兵路線不同，在學界同仁看來，薛其坤院士團隊其實選了一條險途。

為何這么說？相較于同期發表類似結果的斯坦福團隊“大力出奇跡”的脈沖激光沉積技術，中國科學家選擇的是極其精巧的強氧化原子逐層外延技術。顧名思義，這一路徑不可避免地要遭遇極強烈的氧化反應，如同攀登一座微觀世界中不斷噴發的火山。薛其坤院士團隊要挑戰的，還不止登頂火山而已，更要在火山口上“繡花”。

說是“繡花”，其實還低估了研究的難度，不如說是在納米尺度上“搭原子積木”。為了獲得最理想的研究材料——數納米厚的超薄膜，團隊用去1000多片樣品，才摸索出一套“原子鉚釘術”，在極強氧化環境下，也固定住了原本需要極高壓才能令其穩定的原子結構，進而實現原子層逐層穩穩生長。

無需高壓，電磁輸運仍能得到超導兩大關鍵指標“零電阻”與“抗磁性”的理想結果，中國科學家終于將鎳基高溫超導材料展示在世人面前。

值得驕傲的是，中國科學家本次突破，不僅刷新了超導材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗證了高溫超導的普適性，為解決高溫超導機理的科學難題提供了全新突破口。也就是說，這次發現，蘊藏著修訂物理理論教科書的希望。

薛其坤與研發團隊在實驗室進行高溫超導研究

展望超導世界

零電阻、完全抗磁性，超導體的這兩個重要特性，令其在電力傳輸、磁懸浮技術、粒子加速器、醫療成像設備以及核聚變等領域有著廣泛的應用前景。

盡管高溫超導技術已經逐步取得突破，但科學家們的目標遠不止于此。他們一直在尋找常壓室溫超導體——也就是在常溫常壓下就能實現超導的材料。如果發現了這等神奇的超導體，也就意味著超導技術將徹底擺脫低溫的“封印”，真正走進千家萬戶。

超導世界有何不同？城市電網將由超導電纜織成“能源互聯網”，徹底告別停電；磁懸浮列車行駛于超導軌道，追風逐電的速度將給旅客帶來更多便捷；腦機接口可以借助超導量子傳感器解讀神經信號，距離意念控制成為現實又近了一步……

人類用了百年時間，將超導溫度從-269.15℃提高了一百多度。每前進一度，都意味著對物質更深刻的理解和對能量更精妙的掌控。超導世界之門，還在等待著推開它的有心人。

編輯：范鐘秀