原文作者：Davide Castelvecchi
這種寶貴的材料或能推動科研變革，但前提是它們還具備其他性質。
美國Commonwealth Fusion Systems公司建造的這個超導磁體是全球最強大的超導磁體之一，目前正用于研發核聚變技術。來源：Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021
LK-99——本來有望改變世界的紫水晶——在多項研究證實其并非超導體后，對它的狂熱也告一段落。但它留下了一個問題：真正的室溫超導體能帶來巨大突破嗎？
答案是要看情況——既取決于應用方式，也取決于這種假想材料是否還具備其他關鍵性質。但至少在一些科學領域，尤其是那些使用強磁場的領域，更好的超導體很有可能會產生巨大影響。
超導體是指能在特定溫度下開始無電阻傳輸電流的材料，因此不會產生廢熱。但是，當前所有經證實的超導體只能在低溫或極端壓強或同時滿足兩種條件的情況下實現超導。一些科學家正在尋找能在室溫和常壓這種常規條件下轉變成超導態的材料。
雖然當前超導體對低溫的要求極大限制了它們的日常用途，但這種材料在實驗室里已經無處不在，研究人員有各種手段給它們降溫。這是可操作的，但通常會增加實驗的成本和難度。
位于瑞士日內瓦近郊的歐洲核子研究組織（CERN）的加速器——大型強子對撞機（LHC）——就是一個極端例子。為了讓質子在27千米長的環形隧道里持續運動，LHC用溫度只有1.9開爾文（–271.25 oC）的超導線圈產生強磁場。這需要用到一個含96噸液氦的低溫系統——世界上最大的同類低溫系統。CERN的核工程師、磁研究員Luca Bottura說：“如果極低溫不是必需，整個工程就能簡化。”
那么，一個室溫或近室溫工作的超導體就能快速變革多個科學領域，對嗎？還沒這么快。
量子問題
以量子計算機為例，這項仍在發展初期的技術有望以超越經典計算機的能力解鎖特定任務。構建量子計算機的一個主要技術是將信息儲存在超導材料環中。這些環在類似俄羅斯套娃的稀釋制冷機中冷卻至接近絕對零度（?273.15 oC）。
在基于超導體的量子計算機中，即使溫度上升不到1度，性能也會因為與超導性無關的原因而快速下降。量子計算對任何噪音都極度敏感，而熱振動是它的大敵，會產生 “準粒子”（quasiparticle），超導量子計算的共同發明人、日本理化學研究所的物理學家中村泰信（Yasunobu Nakamura）說，“在約100-150毫開爾文（millikelvin）時，我們已經開始看到熱激發的準粒子的對抗性效應。”
其他用例中，實驗本身可能并不需要極低溫，但超導體可能依然要保持在比超導轉變溫度（稱為Tc）低很多的溫度下。超導體的物理性質各不相同，在許多應用中——特別是高磁場磁體——另外兩個特性十分關鍵：臨界電流和臨界磁場。超導性不僅會在溫度升高時消失，如果一種材料要輸送大于一定量的電流或是暴露在足夠高的磁場下，超導性也會消失。
美國麻省理工學院的一個高轉變溫度的超導體置于一個低溫系統中。來源：David L. Ryan/The Boston Globe via Getty
關鍵是，臨界磁場和臨界電流都與溫度相關：溫度越低，材料能承受的電流和磁場就越高。所以，超導體的Tc很高，并不意味著它能在低于Tc的任何溫度下實現超導。在許多應用中，超導體的性能會隨著系統的降溫而提升。
好在，如果溫度夠低，目前已發現的最佳超導體也能承受很高的磁場，包括名為銅氧化物（或稱銅酸鹽）的一類超導體。
實地實驗
4年前，美國國家強磁場實驗室（NHMFL）用一種銅酸鹽打破了恒定（而非脈沖）磁場的強度紀錄。NHMFL的超導線圈產生了45.5特斯拉（tesla）的磁場，但它們必須浸沒在液氦中，也就是溫度保持在4.2開爾文以下。NHMFL的首席科學家、物理學家Laura Greene說：“我們使用高Tc的超導體不是因為它們的Tc高，而是因為它們的臨界磁場高。”
美國普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的機械與電子工程師Yuhu Zhai 說：“如果你想要一個高磁場磁體，你就要在盡可能低的溫度下工作，因為這樣才能得到真正的超導性。”
CERN 正在嘗試構建一種未來的粒子對撞機，有望以7倍于LHC的能量對撞質子，物理學家希望能在這個能量范圍內發現新的基本粒子。為了達到更高的能量，必須用更高的磁場或用更長的環形加速器或兩者結合來給粒子加速。為了打造這類加速器，物理學家希望能在LHC的環形隧道旁再挖一個最長100千米的環形隧道。但即使有了這么大的環，類似LHC的超導磁體——有鈮鈦線圈的8特斯拉的巨型磁體——也無法產生需要的磁場，也就是大約16-18特斯拉。Bottura說：“目前而言，我們肯定要用其他材料。”
當前高Tc超導體也許可以，但可能要維持在液氦溫度才行。中國提出的一個類似加速器——環形正負電子對撞機——也要使用高Tc磁體。中國科學院高能物理研究所所長王貽芳說：“我們考慮高溫超導材料有一段時間了，主要是銅氧化物和鐵基超導材料。”
臨界電流
不過，銅氧化物超導體也有其他缺陷：它們屬于生產成本很高的脆性陶瓷材料，制成電纜的成本也很高。它們的臨界電流也太低，王貽芳說，另一類鐵基超導體原則上只需銅氧化物一半的成本，但表現更好。
Bottura等人正在探索一類全新加速器的可行性。通過用μ子（類似電子但質量是其207倍）取代質子，可以和100千米的質子-質子對撞機研究同一類物理學問題，但這個環會小很多，甚至小到能直接放入LHC的現有隧道。讓μ子進入環形隧道就不需要很強的磁場。但問題是，獲得具備正確特性的μ子束可能需要40特斯拉的磁體。
在這個強度下，Bottura說，“問題不再是超導體，而是如何固定線圈。”電磁線圈內的電流容易把磁體推開。在40特斯拉時，即使是韌性最好的鋼也無法承受機械應力。這種磁體可能要用更強的材料才能固定住，如碳纖維。（強度要求不像NHMFL的磁體這么嚴格，后者需要在只有幾厘米寬的空間里產生高磁場。）
因此，無論是質子還是μ子對撞機，一個遠超現有性能的超導體能帶來巨大突破，當然，其他工程學挑戰也會隨之而來。
邁向核聚變
結構強度已經對另一類裝置構成了嚴重限制，這些裝置的目標是利用核聚變能。一項經過長期驗證的核聚變技術用排成甜甜圈形狀的磁體約束等離子體——即托卡馬克（tokamak）。這種等離子體被加熱至數百萬度的高溫，從而讓氫的各種同位素碰撞。全球最大的實驗性托卡馬克名為ITER，目前正在南法建造，將使用液氦冷卻的大型磁體產生近12特斯拉的磁場。
不過，工業實驗室或公共資助的實驗室都在設計基于高Tc超導體的托卡馬克磁體，原因有很多，Zhai說。更高的磁場有望極大提升聚變反應堆燃燒燃料的速度，因此也能提高產生的能量——至少在原理上如此，因為提取聚變能的許多關鍵步驟仍有待演示。工業實驗室在提高高Tc磁性材料產量上的一個積極進展是它們的成本已經降低了。（但依然比鈮鈦材料貴很多。）
Zhai說，除此之外，托卡馬克應該擺脫液氦冷卻，這不單單是因為冷卻系統的構建很復雜。氦是一種稀缺資源，建造數百個需要它的ITER大小的反應堆根本不現實。
Greene說，尋找更好的超導材料有很高的風險，目前的成功都是可遇不可求。不過她說，“雖然很難，但也令人向往，它能改變全世界。”
原文以How would room-temperature superconductors change science?標題發表在2023年9月1日《自然》的新聞版塊上
