超导是什么？【无尽的前沿——“刺激”的室温超导】 | 科技袁人

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3月19日19：00袁岚峰老师携手中国科学院物理研究所研究员罗会仟博士和中国科学院等离子体物理研究所研究员秦经刚博士，围绕“室温超导”热门话题，发布了“无尽的前沿”直播系列的第一场，本文为精选视频之二的文字内容。（精选视频之一见：《超导有什么用？【无尽的前沿——“刺激”的室温超导】 | 科技袁人》）

“无尽的前沿”直播第一期预告：刺激的“室温超导” | 袁岚峰

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本视频2023年3月24日发布于西瓜视频，观看量1.5w。

袁岚峰：欢迎来到科技袁人袁岚峰的直播间。今天是我们无尽的前沿系列直播活动第一期，我们这个题目是：《“刺激的”室温超导》。为了探讨这些问题，我就邀请到我的两位朋友：中国科学院物理研究所的研究员罗会仟博士，以及中国科学院等离子体物理研究所的研究员秦经刚博士。

罗会仟老师是超导机理的研究专家，秦经刚老师是超导在核聚变当中应用的专家。核聚变也是大家非常关心一个题目了。他（Ranga Dias 教授）那个报告题目就是说它实现了一个近常温常压的超导体。这是非常神奇一个题目，以前从来没有见到一个超导体能在室温下实现的。

Ranga Dias 教授

然后具体而言，他说这个东西是一个三元化合物，是镥氮氢（Lu-N-H）。“镥”是一种稀土元素，第71号元素。“镥氮氢（Lu-N-H）”这个名字听起来很像能吃的是吧？——卤蛋清，卤蛋黄就不行，卤蛋清就可以了，就给人这样一个感觉。

所谓常温常压指的是什么？常温确实近常温了，是21摄氏度，大约是294 K。虽然这比我们平时说的常温300 K还要低那么一点点，但确实已经非常接近了。但是搞笑的是那个常压是吧？实际上他说的近常压中“近”的意思是说：它是1万个大气压1 Gpa，在我们听来是个非常高的压强是吧？可是在搞超导的人来说，这听起来这是个挺低的压强。因为近年来常用的都是几百万个大气压，它这一下子缩成1万，减少了两个量级，听起来也不错，这就造成一个巨大的轰动。所以这个事情它到底有多重要呢？它现在到底什么状况？

罗会仟：如果这个事情是真的的话，就是说我们终于能够找到一个至少是接近室温（的超导材料），21摄氏度也可以基本上当做室温的这么一个超导材料。寻找室温超导体实际上在整个超导领域来讲，都是一直以来的一个所谓的终极的梦想。

从1911年到现在100多年了，大家都在找各种各样的超导体，然后就发现超导体的温度可以不断的提升。到底能不能找到一个材料，就在我们的室温下就能超导的？这是一个所谓的终极梦想。当然用高压来探索，是一个近几年比较火的一个方向。那么它其实也是基本上可以认为是一个高压合成，然后整个还是高压测量得到的所谓的近常压室温超导。

如果是真实的话，当然最起码，对我们做超导的人来讲，他又创了一个新的纪录，这是非常重要的。但是其他方面，其实没有那么惊讶：比如说它的超导机理，可能还是我们以前五六十年代就非常了解的叫做BCS理论，如果还是那种传统超导理论的话，它就理论上没有任何的创新。至于它有什么应用的话，我想这么高压，然后这个量又很少，然后这个材料到底其他的性能怎么样我完全不知道，所以我觉得应用可能还离得很远，所以没有这么惊讶。

我们今天讲室温超导，首先得讲明白什么是超导。超导它其实有两个非常重要的一个判据。这一类材料很特殊，首先它是能够具有绝对的零电阻的材料，在一定的温度下面，你会发现这个材料的电阻会消失。这就是超导这个名词来源：就是说它是超级导电的一个材料，超级到以至于电阻都已经没有了，所以这是一方面。

但是光有零电阻，是不能说明它就是一个超导体的，它还有必须有第二个性质，那就叫做完全抗磁性。如果你真正的进入一个完全的超导状态的话，你的外部磁场也要排出去，而且外部磁场排出去这个过程是不依赖于降温和加场的顺序的。你可以先降温变成超导再加磁场，磁场进不去，你先加磁场，再降温，磁场就会出去。总之你怎么也进不去，以至于它内部的磁感强度也是0，这两个现象基本上能判断这个材料是一个超导体。

但很重要的就是，超导是一个热力学现象，我们经常提到你要多少温度才能超导，所以它本质是热力学的现象，这一点也是非常重要的。

袁岚峰：前些天正好有记者来采访我，他问了我什么是超导，我跟他解释了一下，说这个东西电阻变成0，他又问一个问题说，这个电阻是真的绝对的0吗？精确的0还是说只是一个非常低的数值呢？

罗会仟：这个非常有趣，金属电阻为什么是绝对的0？如果你去做实验，你去测量一个材料，说这个材料的电阻是绝对的0，那么我会说你的仪器精度不够，你可以用更精密的仪器去测你看能不能做到？

物理学家很聪明，实际上他设计了一个非常有趣的实验。你把超导做成一个环，放在低温里，假设你泡在液氦里也好，泡在液氮里也好，反正你放在低温的环境。假设它永远能维持低温的环境，它是不是可以永远超导对吧？然后我就不需要再通过外部电流。电流在里面跑，它就会形成一个磁场，然后我们就可以不接触了，你就回去测磁场到底有没有衰减，对吧？

秦经刚：对，一直在里面转。

罗会仟：它要转多久呢？我们做一个简单的数学， 如果在座听讲的有中学生的话，你们可以做一个简单的数学，就是超导的电阻率是10^-18欧姆·米，我们传统的金属，我们今天说的很好的导电的金属金银铜铁铝，它的电阻率是10^-8欧姆·米，那么超导是比它低了10个数量级 ，是10^-18，在10^-18欧姆·米这么一个量级的情况下，假设你通1安培的电流（1安培很小了哈），大家猜要多长时间才能彻底的衰减呢？大家可以算，因为这是一个非常简单的数学题。

估算大概是要1,000亿年。我们的宇宙年龄137.2亿年，比我们宇宙的还长。所以你想想一安培你都要1,000亿年，那你更不用说实际上用的时候几百安培的情况下，所以我们认为它的电流是不衰减的。

袁岚峰：所以罗老师刚才的意思是说，假如它那个超导体的电阻不是绝对的0，而是一个有限的值，那它也是10^-18。

秦经刚：对，非常非常小。

袁岚峰：所以在实用当中，它跟绝对的0，我们现在是分辨不出来的。

罗会仟：对对对，所以这是绝对的0，不是无限趋近于0。

袁岚峰：那个记者问我的时候还问了一个问题，他是说您说到超导转变温度，是不是只有在这个温度它才超导，比它高它也不超导，比它低它也不超导。我就赶快纠正了，不是啊，比它低，它仍然超导，对吧？

罗会仟：对，没有这么神奇，就这一个温度超导，那就太微妙了。

袁岚峰：不是这个意思，它是说在这个温度以下，它一直超导。

罗会仟：是的，所以它叫转变温度，就是要转变下去对吧？

袁岚峰：那问题就是为什么室温超导会成为这么重要的第一个东西？

罗会仟：因为我们其实想超导这么一个神奇的东西你都电阻是0了，那我们希望它应用场景非常广应用场景很好对吧，因为所有的电和磁的地方你都可以用。但是你用的话它温度很低。

比如说我们第一个发现的超导体是金属汞，只有4.2 K，就是水银。后来发现了很多的材料都是超导体，大部分是金属，那么金属里面谁超导温度最高？就是金属铌，Nb 那个符号（41号元素）。金属铌温度有多高呢？也只有9 K，9 K那是太低了对吧？

袁岚峰：我们解释一下，这个“多少K”这个指的是绝对温标。这个绝对0度是-273.15°C，所以9 K它只比-273.15多了9度。

罗会仟：对，所以至少是零下260几度，这是非常冷的一种状态，这么冷状态你要付出制冷的代价是很高的。一般来说我们要用液态的氦，氦又是稀有气，所以这很贵成本。所以大家就想我能够把温度提高了，我能得到一个最好是室温就能超导的对吧？我不需要任何制冷剂，也不需要什么的我就能用了。这是为什么要追求室温超导的一个重要的原因之一。

袁岚峰：秦老师刚才说的那个载流能力我来解释一下，就是说超导体，它虽然说是电阻为0，但是它是有前提的，它电流不能太大是吧？

秦经刚：对，有前提的。

罗会仟：尤其是中学生同学一定要注意，超导体电阻是0，欧姆定律咱们一算，电流=电压➗电阻，分母是0是不是可以无穷大，对吧？这是不可能的。

秦经刚：因为它受几个条件（的制约），第一是温度，第二是磁场，这是两个比较关键的因素。实际上在应用的过程中，还受外部的影响，你比如外部的这种应力，你一加压或者一加应力，它有时候也因为内部的结构发生变化也不行，所以它受的条件制约还是挺多的。

罗会仟：基本的临界参数是三个。刚刚提到的低温，然后临界温度，还有个临界磁场，磁场太强了也不行。其实前面提到的电流密度，就是临界电流密度也是很重要的。电流不能无穷大，一旦超过这个电流，也是很危险的。超导体本身你用的时候是零电阻，那就意味着什么，往往你用的时候你通的电流就是巨大的，你通了这么大的一个电流，假如一瞬间有了电阻会怎么样。它就发热，一发热温度就上升，一上升它就继续不超导，整个东西就完蛋了，就烧掉了。这是很危险的一个事情。

袁岚峰：所以这个超导体还是悠着点用是吧？并不是大家想象的那样。

罗会仟：对，所以我尽可能用低一点的温度，它更安全更稳定。

秦经刚：就是想象很美好，但是现实很骨感。