美国科学家发现的室温超导材料如获证实，将带来哪些改变？

美国科学家表示，他们研制出了第一种可以消除电力传输中能量损耗同时具有商业可获得性的材料，这一突破意味着，续航更久的电池、效能更高的电网以及更先进的高速列车都可能成为现实。

能够以零损耗传导电流的材料被称为超导体，一直以来，它都极难运用到实际中，原因在于它通常需要被冷却至零下320华氏度（零下196摄氏度）左右的极低温，而且需要施加极高的压力才能成为超导态。

如今，罗切斯特大学(University of Rochester)的一群研究人员报告说，他们研制出了一种可在室温条件下工作的超导体，并且它对压力的要求远远低于之前发现的超导材料。

据罗切斯特大学机械工程及物理学助理教授、上述研究项目的领导者兰加·迪亚斯(Ranga Dias)说，此次突破有可能创造出无损电网，以及可用于未来核聚变反应堆的更好用也更便宜的磁铁，诸如此类。

迪亚斯

这是因为，在日常环境条件下即可运转的完美导电体不需要昂贵的大型冷却系统。

“我们或许可以让磁悬浮列车行驶在超导轨道上，可以改变电力的存储与运输方式，还能让医学成像技术发生革命性的变化。”迪亚斯博士说。

2020年，他的团队曾报告说，他们研制出了一种超导体，这种由氢、硫及碳组成的化合物可在与室温大致相当的环境中工作。

然而问题在于，这种材料只有先接受激光烘烤，并且在一种被称为金刚石压腔的设备中，在两颗金刚石的尖端之间被压碎，才能达到超导态，而过程中其承受的压力甚至超过地心压力。

在新的研究中，研究人员调整了超导体“配方”，将原先加入氢当中的硫和碳替换成氮与稀土金属镥，然后再加温，并放到金刚石压腔中接受挤压。该研究成果已于上周三发表在《自然》(Nature)杂志上。

他们将由此产生的物质命名为“红物质”(reddmatter)，因为他们观察到在加压过程中，其颜色由蓝变粉红，然后变成红色。迪亚斯说，这个名字的灵感来自2009年好莱坞大片《星际迷航》(Star Trek)中虚构的黑洞构成物质名称。

罗切斯特大学的实验室发现，“红物质”可以在69华氏度（21摄氏度）、14.5万磅/平方英寸（地心压力的约1/360）的压强下存在。与2020年那一次相比，温度提高了大约10华氏度，压强也降到了之前的1/1000左右。

尽管与人们在海平面感受到的压强——约15磅/平方英寸——仍有天壤之别，但新的压强让“工程师能够着手去研制具有商业可行性的产品了。”

托泽博士说，“它让超导具备了商业上的可行性。”例如，工程师和材料学家目前已能利用芯片制造与钻石合成中的专业技术及设备，实现约14.5万磅/平方英寸的压强。

“未来五年内，我们将看到内置超导元件的设备问世。”研究报告合著者、内华达大学拉斯维加斯分校(University of Nevada, Las Vegas)物理学家阿什坎·萨拉马特(Ashkan Salamat)说。

这意味着，我们的手机和笔记本电脑运行时需要的电力减少，也不再随着发热损失能量——电池寿命由此将延长。同样的元件也可以组装到电动车电池中。

萨拉马特博士说，能够在室温及日常压力条件下工作的超导体或许还有助于解决气候变化等问题。

他说，“比如，超导电网可以无限期地储存太阳能或风能，并且在远距离传输时没有任何损耗。”

据美国能源信息署(Energy Information Administration)估计，2017-2021年，全美输电与配电过程中平均存在5%的电力损耗。

更高的能源储存及运输效率意味着整体能源用量将减少，碳排放也将由此减少。萨拉马特谈到，超导体或许还能为更便宜、更好用的核聚变设备铺平道路——人们一直认为，核聚变有可能成为一种几乎取之不竭的清洁能源。

所谓核聚变反应，是将原子结合在一起，在此过程中会释放出巨大的能量，同时又不会产生任何放射性废料或是温室气体。

许多聚变设备都依靠磁场来约束反应——而超导体可以产生强大的磁场。问题在于，要想让这些超导体保持冷却，需要有笨重且昂贵的冷却设备。

迪亚斯指出，“红物质”这样的超导体可以在室温状态下产生强大的磁场，未来十年左右，在建造核聚变反应堆的问题上，它也许会成为游戏规则改变者。

若是超导体能在近似日常的环境中工作，无创医学成像或许是另一个受益者，大多数磁共振成像(MRI)设备都依赖超导磁体，它会通过超导线圈传递电流来产生磁场。

这些线圈要用液氦来冷却，而这种昂贵的稀缺资源会限制MRI设备的安装场所。引入常温超导体后，或许会出现体积更小、更易移动的MRI设备，并且无需冷却。

目前来说，这些非常宏大的工程学成就不会在一夜之间实现。但由于有了这一发现，以及其他类似发现，它们将在未来十年左右成为现实。”萨拉马特说。

尽管迪亚斯的研究带来了希望，但其团队过去发表的部分研究成果一直是其他科学家仔细审视的对象。

他们在2020年的研究中曾详细介绍过另一种常温超导体，但由于其他研究人员无法复制这一结果，加之显示超导材料中存在迈斯纳效应的相关数据的有效性也遭到质疑，于是2022年，《自然》杂志撤下了迪亚斯团队的这篇论文。

日内瓦大学(University of Geneva)物理学家德克·范·德·马雷尔(Dirk van der Marel)是对2020年的数据提出疑问的人之一，他没有参与最近这项新研究，也未参与迪亚斯的其他研究项目。

迪亚斯表示，那篇撤回的论文已重新提交给《自然》杂志，此前，他和同事们在伊利诺伊州的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和纽约州的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)当着其他科学家的面，收集了新数据。

他还补充说，在新论文接受同行评审的过程中，他的团队提供了关于“红物质”的所有数据。

虽然范·德·马雷尔说，新研究似乎恰当地证明了“红物质”中存在迈斯纳效应，但他说，他“对整件事感到非常不舒服。”数据中“兴许潜藏着类似问题”，他补充道。

用富含氢的材料可以实现常温超导，这一想法已得到其他研究团队的证实，伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois Chicago)物理学及化学教授拉塞尔·赫姆利(Russell Hemley)说。赫姆利未参与此次新研究，但与迪亚斯合作过其他项目。

“所以这些结果不应受到质疑，即使他们之前那篇论文中的数据呈现方式曾引发过担忧。”赫姆利博士说。

至于迪亚斯，他表示，他的团队已在尝试调整“红物质”的配方，以求在更高的温度和更低的压强条件下实现超导特性。

迪亚斯谈到，想法之一是在化合物中加入与镥类似的其它稀土元素，尽管这些元素价格不菲。他希望尝试一种不同的方式——也许用铝再加上点别的——一种既能降低生产成本，也能模拟镥的效果的方式。

该研究团队将开始利用机器学习来挑选下一个超导体配方。他们正通过此次新研究以及之前实验中的数据来训练算法，以此帮助人工智能更好地预测，氢与其他元素的哪种组合方式或许能产生具有超导特性的材料。

内容来源于华尔街日报