21°C实现室温超导？它能让磁悬浮列车跑得比飞机还快吗？

来源：BB贝博APP体育    发布时间：2024-04-16 20:59:57

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  上海的磁悬浮列车大家都坐过吗？它路线公里，最高时速为每小时431公里，是世界上速度最快的商业化运营的磁悬浮列车。

  磁悬浮列车利用电磁铁产生足够的悬浮力，实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。磁悬浮列车的工作速度虽然比高铁快，但跟飞机相比还是差了不少（巡航阶段，目前主要民航客机的速度在800～900多公里/小时）。未来，磁悬浮列车可以比飞机还快吗？

  最近，美国物理学会三月会议上，罗彻斯特大学的迪亚斯（Ranga Dias）团队宣称发现了一种由氢、氮、镥制成的新型合金，能在21摄氏度和1000兆帕（约1万标准大气压）下进入超导状态。

  如果室温超导材料真能得到实际应用，那么未来，超高速磁悬浮列车将有可能走进我们的生活。

  目前，已知的超导材料大概能分为两类：低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料是指在接近绝对零度（-273.15°C）时才能表现出超导性的金属或合金。例如铝、铅、锡等都是低温超导材料。高温超导材料是指在相比来说较高的温度下（仍然低于常温）才能表现出超导性的复合陶瓷或有机物。例如氧化铜基陶瓷、碳基纳米管等都是高温超导材料。

  要理解超导现象，我们大家可以把电子比作汽车，金属比作高速公路。在普通金属中，电子运动时会遇到各种阻力，就像汽车在公路上会遇到红绿灯、拥堵、摩擦等问题一样，这些阻力会使电子运动变慢，并产生热量损耗。而在超导材料中，电子之间会形成一种特殊的配对状态（库珀对），就像汽车形成一个整齐有序的车队一样。这样，电子就能够尽可能的防止各种阻力，并以极快的‍速度运动。同时，由于没阻力产生热量损耗，所以超导材料也不会发热。

  超导材料基本上要求有两个特征，一个是没有电阻，另一个是有完全抗磁性。如果在室温下，这两个特征都能够表现的话，那就可以说它是一种室温超导体。

  超导材料的研究历史可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家昂内斯发现了第一个超导体——汞，其在4.2K（-269°C）时可以呈现出零电阻。从那以后，科学家们就一直在寻找能够在更高温度下表现出超导性的材料，但是进展缓慢。

  到了1986年，德国物理学家贝德诺尔茨和瑞士物理学家米勒，发现了一种铜氧化物高温超导体，其临界温度达到了33K（-240°C）。这种材料可以用液氮（而不是液氦）冷却，大幅度的降低了成本和难度。这一发现引发了寻找更高温度的超导材料的热潮，并获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

  2015年，德国科学家德罗兹多夫团队在《自然》杂志发表了一篇论文，介绍了第一个室温超导（但不是常压）的材料——硫化氢。他们在约220万个大气压的高压下，观察到硫化氢在203K（-70°C）时呈现出零电阻。这个温度突破了铜氧化物超导材料保持了多年的纪录，是当时最高的超导临界温度。

  这一结果引起了广泛关注和讨论。一方面，人们认为这是一个“里程碑式突破”，打开了室温超导新领域；另一方面，人们也指出这样一种材料需要极高压力才能实现超导，并且难以制备和测量。

  2020年10月，美国罗切斯特大学的迪亚斯团队在德罗兹多夫团队的研究基础上进行改进和创新。他们表示采用了一种新型金刚石模具技术，在更低压力下实现了更高临界温度的室温超导，并首次观察到麦斯纳效应（即完全抗磁性）。

  他们宣布，在约267万个大气压的压力下，在288K左右（约15摄氏度）观察到了碳、硫和氢组成的合金样品（CSH）表现出零电阻状态 。这引起了全球科学界和媒体的广泛关注和讨论。

  而就在前几天，他们又有了最新成果。他们表示发现了一种由镥、氮和氢组成的三元相材料（NDLH），在1万个大气压下，能轻松实现约294K（约21摄氏度）的室温超导性。这比他们之前发现的碳、硫和氢合金材料（CSH）需要的压力低了很多。

  迪亚斯团队认为，NDLH材料中的镥元素起到了关键作用，因为它是一种稀土元素，具有着强烈的电子-声子耦合效应。这种效应能加强超导电性，并降低所需的临界温度和压力。迪亚斯团队还表示，他们盼望通过进一步优化材料结构和组分，以及使用其他稀土元素来替代镥，来提高NDLH材料的超导性能，最终实现常压室温超导。

  然而，迪亚斯团队的研究也受到了不少质疑和批评。一些同行指出，他们的实验数据存在不一致和不可重复性问题。例如，在2020年10月发表在《自然》杂志上的CSH材料论文中，他们给出了两组不同的电阻-温度曲线图，并没有解释其中的差异。因此，在2022年9月，《自然》杂志撤回了这篇论文，并表示作者没办法提供足够证据支持其结论。鉴于此，有些人对迪亚斯团队最新报告的NDLH材料也持怀疑态度，并建议等待其他实验室复现其结果后再做判断。

  因此，要在真正意义上的室温常压条件下实现零电阻零抗磁性的超导材料，我们还有很多挑战和难题需要克服。室温超导的研究道路并不平坦，它要求我们不断地探索、实验、验证、创新，克服各种困难和挫折，才能逐步接近这个目标。室温超导的研究，是一种对知识的追求，也是一种对真理的敬畏。

  室温超导，是人类对自然界的一种梦想，也是科学技术的一种挑战。若能够实现室温超导，那么我们将能够创造出无损耗的电力传输、高效的能源利用、强大的磁悬浮交通、精密的医疗诊断、更快速的计算机等，为人类的生活和发展带来无限的可能性。说不定未来有一天，比飞机还快的磁悬浮列车真的会走进我们的生活。它是我们对未来的向往，也是一种对更美好的生活的期待。