室温超导材料将引领我们迈向科技未来的新纪元

未来，电线可能会穿过海底，毫不费力地将电力从一个大陆输送到另一个大陆。这些电缆将承载来自巨型风力涡轮机的电流或为悬浮高速列车的磁铁提供动力。

所有这些技术都依赖于物理学界长期追求的奇迹：超导性，这是一种增强的物理特性，可以让金属在不损失任何能量的情况下携带电流。

但超导性只在对大多数设备来说太冷的冰点温度下起作用。为了使其更有用，科学家们必须在正常温度下重建相同的条件。尽管物理学家从 1911 年就知道超导性，但室温超导体仍然让他们望而却步，就像沙漠中的海市蜃楼一样。

所有金属都有一个称为“临界温度”的点。将金属冷却到该温度以下，电阻率几乎消失，使带电原子更容易通过。换句话说，流过超导线闭合回路的电流可以永远循环。

如今，在发电机和消费者之间损失了 8% 到 15% 的主电力，因为标准电线中的电阻率自然会以热量的形式吸走一部分电力。超导线可以消除所有这些浪费。

还有另一个好处。当电流流过线圈时，会产生磁场；超导线增强了这种磁性。超导磁体已经为核磁共振成像机器提供动力，帮助粒子加速器引导他们的采石场环绕一个环路，在聚变反应堆中塑造等离子体，并推动磁悬浮列车，如日本在建的中央新干线。

虽然超导性是一种奇妙的能力，但物理学却以冷酷的警告削弱了它。大多数已知材料的临界温度仅略高于绝对零（-459 华氏度）。例如，铝的温度为 -457 华氏度；水银温度 -452 华氏度；和在温暖的 -443 华氏度下的韧性金属铌。将任何东西冷却到如此寒冷的温度既乏味又不切实际。

科学家们通过使用铜酸盐（一种含有铜和氧的陶瓷）等奇特材料对其进行测试，从而在有限的能力下实现了这一目标。1986 年，两名 IBM 研究人员发现了一种在 -396 华氏度下超导的铜酸盐，这一突破为他们赢得了诺贝尔物理学奖。很快，该领域的其他人将铜酸盐超导体推到了 -321 华氏度以上，即液氮的沸点——这是一种比他们原本需要的液氢或液氦更容易获得的冷却剂。

“那是一个非常激动人心的时刻，”马里兰大学的物理学家理查德格林说。“人们在想，‘好吧，我们也许可以达到室温。’”

30 多年后的现在，对室温超导体的探索仍在继续。配备了可以预测材料特性的算法，许多研究人员认为他们比以往任何时候都更接近。但他们的一些想法一直存在争议。

该领域取得进展的一种方式是将注意力从铜酸盐转移到水合物或带负电荷的氢原子的材料上。2015 年，德国美因茨的研究人员用在 -94 华氏度下超导的硫氢化物创造了新纪录。然后，他们中的一些人很快用稀土元素镧的氢化物打破了自己的记录，将水银温度提高到大约 -9 华氏度——大约是家用冰箱的温度。

但同样，有一个陷阱。当周围压力发生变化时，临界温度会发生变化，而氢化物超导体似乎需要相当不人道的压力。氢化镧仅在 150 吉帕以上的压力下实现超导性——大致相当于地球核心的条件，对于地表世界的任何实际用途来说都太高了。

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因此，想象一下当纽约州北部罗切斯特大学的机械工程师展示了一种由另一种稀土元素镥制成的氢化物时的惊喜。根据他们的结果，镥氢化物在大约 70 华氏度和 1 吉帕时具有超导性。这仍然是地球海平面气压的 10,000 倍，但低到足以用于工业工具。

“这不是高压，”布法罗大学的理论化学家 Eva Zurek 说。“如果可以复制，[这种方法] 可能非常重要。”

然而，科学家们还没有欢呼——他们以前见过这种尝试。2020 年，同一研究小组声称他们在碳和硫的氢化物中发现了室温超导性。在最初的大张旗鼓之后，他们的许多同行指出他们对数据的处理不当，他们的工作无法复制。最终，罗切斯特大学的工程师妥协并撤回了他们的论文。

现在，他们的镥超导体面临着同样的问题。“这确实需要验证，”Greene 说。早期迹象并不吉利：中国南京大学的一个团队最近试图复制该实验，但没有成功。

“许多团体应该能够重现这项工作，”格林补充道。“我认为我们很快就会知道这是否正确。”

但是，如果新氢化物确实标志着第一个室温超导体——下一步是什么？明天工程师们会开始在地球上架设电力线吗？不完全的。首先，他们必须了解这种新材料在不同温度和其他条件下的行为，以及它在较小尺度下的样子。

“我们还不知道结构是什么。在我看来，它与高压氢化物完全不同，”Zurek 说。

如果超导体是可行的，工程师们将不得不学习如何制造它以供日常使用。但如果他们成功了，结果可能会成为改变世界的技术的礼物。