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技术与工程

如何寻找室温超导体？

       
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2025-01-10 14:02

这几年出现了多起 “室温超导”的事件，但今年美国罗切斯特大学公布了迪亚斯团队发现所谓“室温超导”的几项研究的相关调查结果，认为业界对迪亚斯的16项学术不端指控均成立。既然室温超导目前并不存在，那室温超导未来是否还值得期待？

电影《阿凡达（Avatar）》

电影《阿凡达（Avatar）》

从理论上看，实现室温超导，总共分三步：

①合成一个材料；

②在室温下测它的电阻为零；

③测磁化率是负的抗磁性。

但这些看似非常简洁的步骤，在实操起来却是非常之困难！

1.室温下-100%的抗磁性难达到

抗磁性就是材料对外界磁场是负响应，也就是会产生一个与外磁场方向相反的磁化强度，磁化率为负值。如何证明一个材料具有抗磁性呢？把它扔到一块强磁铁上，会悬浮起来就是超导磁悬浮么？并非如此！诺贝奖得主安德烈·海姆曾经把一只青蛙扔进16 -20 T的强磁场里，青蛙也悬浮起来了！

生活中常见的水，也具有抗磁性，只要磁场足够强，含水多的物体都能悬浮。生活中还有很多材料也具有抗磁性，比如金属铜、银、铋、钛等，还有各类含苯环的有机材料，也是抗磁的，但它们都不是室温超导体。

超导体的抗磁性非常之强，强到可以达到抗磁体积-100%，相比之下，其他材料里抗磁最强的就是热解石墨，抗磁体积仅有-0.04%，而水的抗磁体积不过负十万分之一左右！所以，如果你在室温下测不到接近-100%的抗磁性，就不能证明它可能属于室温超导体！

而且超导磁悬浮，可不是因为它的抗磁性，而是因为它具有另一个独特的磁场效应——磁通钉扎。也就是磁力线会进入超导体内部，然后被牢牢锁住，一旦磁通线密度发生变化，超导体就会尽可能地想恢复原状。所以，超导磁悬浮，不仅可以上浮，还能倒过来悬挂在磁铁下方。这可不是普通抗磁悬浮能做到的！

2.电阻为零很难测

事实上，如果一个材料电阻为零，那么无论你用如何精密的仪器去测量它，只要电流保持在一定范围之下（注：低于超导体临界电流），都得到直流电阻为零，表现为仪器读数总在最小精度左右波动，而且一会儿为正，一会儿为负。据目前最好的实验精度，超导体的电阻率上限在10-24Ω·m，比导电最好的铜银金等还低了十几个数量级，这还只是上限而已。如果我们把一个超导圆环通上电流，假设它永远保持超导状态，就会发现电流需要很长时间才会衰减掉，计算得到的这个时间甚至比我们宇宙的年龄还要长。

3.室温超导材料未知

至今为止，我们并不清楚室温超导材料的形态、组分、元素配比、晶体结构等等。目前人类发现了数十万种无机化合物，其中大约有1~3万种属于超导材料，绝大部分超导临界温度都在40 K，也就是大约-233℃以下。目前常压下最高超导临界温度为134 K，也就是-139℃左右。如果不考虑不靠谱的迪亚斯的工作，极端高压下的超导临界温度记录为260 K，也就是-13℃左右。

室温超导体，指的就是在室温下具有绝对零电阻和完全抗磁性的材料。严格来说，室温指的就是300 K，也就是26.85℃。迪亚斯在2020年声称的碳-硫-氢化合物高压超导温度，是288 K，在2023年声称的镥-氢-氮化合物超导温度，是294 K，距离真正的室温超导，还差那么一点点。历史上，像迪亚斯这样学术诈骗的层出不穷，但无一例外，都经受不住以上三步的拷问，最终都被鉴定为乌龙事件。

那在科学方面我们如何寻找室温超导呢？

方案一：借助超高压力，生成常压下无法得到的材料新结构，其中含氢较多的材料都有可能是室温超导体。

方案二：从现有的超导体微观机制出发，研究哪些相互作用有助于提高超导温度，然后重新设计构造新的材料，在多种相互作用帮助下一起提高临界温度。

方案三：跳出三维材料的思维框架，在二维材料或者二维界面里寻找复合材料结构下的室温超导，或者在一维世界里重新组装原子积木。

方案四：借助现在AI的超强算力，通过各种已知超导材料物性的庞大数据库来开展训练，即便在超导机制不明的情况下，也可以帮助我们预测出新的超导体，甚至是室温超导体。

方案五：干脆跳出地球，去太空冒险采矿，就像电影《阿凡达》里面描述的那样。或许星际旅行看起来距离我们太遥远，但人类已经能够采取月球、火星、彗星、小行星上的样品了，也在陨石里发现过超导体。谁知道呢？室温超导体或许就隐藏在距离我们不太远的某个星球上呢？

参考资料：
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