Nature发文：室温超导体将如何改变科学？

编辑：Lumina

【新智元导读】

7月末尾LK-99引发的热潮在八月中旬逐渐平息。

在多家权威机构相继证伪LK-99的超导性后，8月16日Nature正式发文否认了LK-99是室温超导。

但一个问题仍然存在：真正的室温超导体会是革命性的吗？

答案取决于应用的领域，以及假设的材料是否还具有其他关键品质。但至少在一些科学领域中，尤其是那些使用强磁场的领域，更好的超导体可能会产生巨大的影响。

超导体是一种在一定温度下能够无电阻传输电流的材料，因此不会产生废热。

但所有已确认的超导体都只在低温或极端压力条件下或两者兼而有之的情况下才表现出这种特性。

超导相变时热容和电阻率的行为

这种材料在实验室中已随处可见，因为研究人员能够使用一系列技术来降低它们的温度，尽管这会增加实验的成本和复杂性。

但在日常应用中，超导体的低温要求是一道难以越过的门槛。

一个极端的例子是大型强子对撞机，它是欧洲核子研究中心的加速器。

为了让质子在 27 公里的圆圈内运动，大型强子对撞机利用温度仅为 1.9 开尔文的超导线圈产生强磁场。

要做到这一点，首先需要一个包含 96 吨液氦的低温系统。这是世界上同类系统中规模最大的。

欧洲核子研究中心磁体研究员、核工程师Luca Bottura曾表示，「如果我们不需要极端温度，工程设计就会大大简化。」

因此，能在室温下或接近室温工作的超导体将迅速彻底改变许多科学领域。

但科学还没那么快到达这一目标。

量子问题

以量子计算机为例，这项新兴技术有望解决经典计算机无法完成的某些任务。

而构建量子计算机的主要方法之一是将信息存储在超导材料环中。

量子计算机

这些超导材料被冷却到接近绝对零度，然后被装在昂贵的、类似于俄罗斯套娃的设备中，这种设备被称为稀释冰箱。

稀释冰箱

在基于超导体的量子计算机中，温度升高哪怕是零点几度，性能也会迅速下降，其原因与超导性无关。

超导量子计算的共同发明人中村泰信认为，量子计算对任何类型的噪声都极为敏感，而热振动则是一个主要敌人，它会产生虚假的「准粒子」。

他提到，在 100-150 毫开尔文左右，就可以看到热激发准粒子的对抗效应。

在其他情况下，实验本身可能不需要极度低温，但超导体仍需要保持比其转变为超导时还要低得多的温度。

超导体的物理特性各不相同。但在许多应用中，尤其是在高磁场磁体中，有两个特性至关重要：临界电流和临界磁场。

这是因为超导电性不但会在温度升高时丧失，而且还会在材料被推动承载超过一定量的电流或暴露在足够高的磁场中时丧失。

麻省理工学院的低温系统中包裹着具有高转变温度的超导体.Credit：David L. Ryan/The Boston Globe via Getty

最重要的是，临界磁场和临界电流都与温度有关：温度越低，材料所能承受的电流和磁场就越大。

因此，虽然超导体的 Tc 很高，但这并不意味着它可以在低于 Tc 的任何温度下使用。

在许多应用中，超导体的性能会随着系统温度的降低而提高。

幸运的是，目前发现的最好的超导体，包括一类叫做铜氧化物超导体的超导体，只要保持足够低的温度，也能承受非常高的磁场。

在现场

四年前，位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家高磁场实验室曾使用一种铜氧化物来获得稳定磁场强度的记录。

NHMFL 的超导线圈能产生 45.5 特斯拉的磁场，但前提是它们必须保持在液氦中，即低于 4.2 开尔文。

NHMFL首席科学家、物理学家Laura Greene说：「我们使用高-Tc超导体不是因为它们的Tc值高，而是因为它们的临界磁场高。」

美国另一个国家实验室，位于新泽西州的普林斯顿等离子体物理实验室的机械和电气工程师Yuhu Zhai说：「如果你想要一个高磁场磁体，那就在尽可能低的温度下运行它，因为那是你获得超导性真正力量的地方。」

欧洲核子研究中心正在探索未来粒子对撞机的选择，该对撞机最终以比大型强子对撞机高七倍的能量粉碎质子，物理学家们希望能在这个范围内发现新的基本粒子。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机与超级质子同步加速器的地图

要达到这些更高的能量，粒子必须使用更高的场或沿着更长的加速器环路进行加速，或者两者兼而有之。

为了建造这样一台机器，物理学家梦想在大型强子对撞机旁边挖掘一条长达 100 公里的环形隧道。

但即使有这么大的环形隧道，像大型强子对撞机那样的超导磁体，即带有铌钛线圈的8特斯拉怪兽也无法产生所需的磁场，估计至少需要16到18特斯拉。

对此，Bottura认为，「在这一点上，我们显然必须转向其他材料。」

目前的高Tc超导体可以实现这一目标，但可能需要将其保持在液氦温度下。

中国提出的类似加速器：即环形电子-正电子对撞机，也将使用高Tc超导磁体。

北京高能物理研究所所长王贻芳表示，他们考虑高温超导材料已经有一段时间了，主要是铜酸盐和铁基材料。

临界电流

然而，铜氧化物的超导体也有其他缺点：它们是脆性的陶瓷材料，生产成本高昂，也很难将其制造为电缆。

此外，王贻芳也提到，这种材料的临界电流也太低。而另一类铁基超导体原则上性能更好，成本也只有氧化铜的一半。

Bottura和其他人正在研究一种全新加速器的可行性。

通过用μ介子取代质子，对撞机可以研究与100公里长的质子-质子对撞机相同类型的物理学。

但研究对撞机的环要小得多，甚至可以放入现有的大型强子对撞机隧道中，让μ介子绕一圈并不涉及强度特别高的磁场。

但问题是产生具有适当特性的μ介子束，可能需要高达40特斯拉的磁铁。

在这种强度下，问题不再是超导体，而是如何保持线圈的位置，因为电磁线圈内的电流往往会将磁铁推开。

而在 40 特斯拉的条件下，即使是最坚固的钢材也无法承受机械应力。

相反，磁体可能需要使用碳纤维等更坚固的材料。(NHMFL磁体对强度的要求没有那么严格，因为它需要在只有几厘米宽的空间内产生高磁场）。

因此，在质子对撞机和μ介子对撞机中，超导体将会发挥巨大作用，但也可能出现其他工程挑战。

融合之旅

然而，在另一类旨在利用核聚变能的机器中，结构强度已经成为了严重的制约因素。

长期以来，一种既定的聚变方法是使用排列成圆环形状，也被称为托卡马克的磁体来限制等离子体，将等离子体加热到数百万度，将氢的各种同位素碰撞在一起。

世界上最大的实验性托卡马克名为ITER，正在法国南部建设，它将使用大型液氦来冷却磁体并产生接近12特斯拉的磁场。

但根据Zhai的说法，工业和公共资助的实验室都在努力设计基于高Tc超导体的托卡马克磁体。

原因有很多，如更高的磁场可能会大幅提高聚变反应堆燃烧燃料的速率，从而在原则上提高可产生的能量，但从聚变中提取能量的许多关键步骤尚未得到证明。

工业努力增加高Tc磁性材料产量的一个积极结果是让它们的成本降低了，但它们仍比铌-钛材料昂贵得多。

此外，Zhai还表示，托卡马克最终应该放弃液氦冷却。一方面是因为冷却系统复杂难建，另一方面是氦作为稀缺资源，难以建造数百个使用液氦的ITER大小的反应堆。

Greene认为，寻找更好的超导材料是一项高风险的任务，迄今为止成功的案例寥寥无几。

尽管如此，她还是说到：「这是一项艰苦的工作，也是一项令人兴奋的、正在改变世界的工作。」

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8