10 月 15 日《Nature》文章宣称首次在高压下实现室温超导，意味着什么？
2023年10月15日《Nature》杂志发表的一篇文章声称，首次在高压下实现了室温超导，这无疑是一个具有划时代意义的科学突破，如果得到证实并能够实际应用，将对人类社会产生极其深远的影响。下面我将详细解读这一声明的意义，并从多个角度进行阐述：
一、什么是超导现象？
首先，我们需要理解什么是超导现象。超导性是指某些材料在特定温度（临界温度 $T_c$）以下时，其电阻率突然变为零的现象。这意味着电流可以在这些材料中无损耗地流动，就像一条永不停息的河流。
除了零电阻外，超导材料还具有另一个关键特性，即迈斯纳效应（Meissner effect）。当材料进入超导态时，它会完全排除外部磁场，就像一个完美的磁屏蔽。这使得超导材料能够悬浮在磁场上方，也就是我们常说的“磁悬浮”。
二、为什么“室温超导”如此重要？
长期以来，超导性一直吸引着科学家们的目光，因为其潜在的应用价值是巨大的。然而，绝大多数已知的超导材料都需要在极低的温度下才能工作，通常需要液氦（约269°C）或液氮（约196°C）来冷却。这种极低的温度要求，以及制冷设备带来的巨大能耗和成本，极大地限制了超导技术的实际应用。
因此，实现室温超导（即在接近或达到室温25°C左右的温度下实现超导）一直是材料科学和物理学领域追求的“圣杯”。一旦实现，它将彻底改变我们现有的技术格局，带来颠覆性的变革。
三、这篇文章声称的突破是什么？
这篇文章声称在高压下实现了室温超导，这意味着：
首次实现“室温超导”： 这是最核心的突破。过去的研究虽然也探索了高温超导，但距离真正的“室温”还有很大差距。这次的突破将工作温度推向了人类感觉舒适的范围。
在高压下实现： 这也是一个重要的限制条件。虽然实现了室温，但需要施加极高的压力才能维持超导状态。这意味着这种材料并不能在“正常”的大气压下工作。
四、这一突破的潜在意义和影响（如果得以证实和应用）：
如果这项研究得到科学界的广泛证实，并能够克服高压使用的限制，其意义将是革命性的，覆盖人类社会的方方面面：
1. 能源领域：
无损耗输电： 目前电力输送过程中存在大量的能量损耗（约5%10%），这相当于每年浪费了数万亿千瓦时的电能。室温超导线缆可以实现几乎零损耗的电力传输，这将极大地提高能源利用效率，减少对化石燃料的依赖，对环境保护意义重大。
高效能源存储： 可以构建无需消耗能量就能长时间储存电能的超导磁能储存系统（SMES），这将彻底改变电网的储能方式，提高电网的稳定性和可靠性，为可再生能源的大规模接入提供可能。
更高效的发电设备： 发电机和变压器可以使用超导线圈，尺寸更小、效率更高，体积和重量也会大大减小，尤其在航空航天和海上风力发电等领域具有重要价值。
2. 交通运输领域：
超高速磁悬浮列车： 磁悬浮列车利用磁场实现悬浮和推进，如果使用室温超导材料，可以大大降低制冷成本和能耗，使得超高速磁悬浮列车的建设和运营更加经济可行，速度可以达到每小时1000公里以上，这将彻底改变长途交通运输模式。
更高效的电动汽车： 超导电机和储能系统可以使电动汽车更轻便、续航更长、充电更快。
3. 计算与电子领域：
超导计算机： 超导材料可以制造出速度极快、功耗极低的电子器件，有望催生新一代的超导计算机。这些计算机在处理大规模数据、进行复杂计算（如天气预报、药物研发、金融建模）方面将具有无与伦比的优势。
高灵敏度传感器： 基于超导量子干涉仪（SQUIDs）的传感器，其灵敏度远超传统传感器，可以用于：
医学成像： 更精确地探测人脑和心脏的微弱磁信号，实现无创诊断，例如更早发现癌症和神经系统疾病。
地质勘探： 精准探测地下矿藏和油气资源。
基础物理研究： 探测微弱的引力波等物理信号。
4. 科研与基础科学：
大型粒子加速器： 超导磁体是构建大型粒子加速器的关键组件，可以产生更强的磁场，加速粒子到更高的能量，从而推动粒子物理学的发展，探索宇宙最基本的奥秘。
核聚变反应堆： 维持可控核聚变所需的强大磁场约束，可以由室温超导线圈提供，大大降低了核聚变发电的成本和技术难度，有望实现清洁、取之不尽的能源。
五、对当前研究的挑战和后续发展：
尽管这项研究具有巨大的潜力，但我们需要认识到几个关键点：
“高压”是一个重大的限制： 目前实现室温超导需要极高的压力，这使得其在常压下的应用变得极其困难，甚至不可能。研究人员需要进一步探索在低压甚至常压下实现室温超导的材料和机制。
可重复性和验证： 科学的严谨性要求一项重大发现必须能够被其他实验室独立重复验证。这项研究的结果需要经过其他研究团队的严格检验，以确认其真实性和可靠性。过去的“室温超导”研究中，曾出现过争议和未能成功复现的情况，因此需要保持审慎的态度。
材料的稳定性和制备： 即使在高压下实现室温超导，这种材料的稳定性和可大规模制备性也是关键问题。能否在工业上大规模、低成本地生产出高质量的超导材料，将直接决定其能否真正转化为应用。
理论解释： 还需要深入的理论研究来解释为何在这种材料在高压下能够实现室温超导，这将有助于指导未来新材料的开发。
总结来说，10月15日《Nature》文章宣称的在高压下实现室温超导，如果能够被证实并且能够克服其高压的限制，将是人类历史上一次里程碑式的科学发现。它将开启一个全新的科技时代，从能源到交通，从计算到医疗，人类社会将发生前所未有的变革。然而，科学的道路充满挑战，从实验室的突破到广泛的实际应用，往往还需要漫长而艰辛的探索过程。
一、什么是超导现象？
首先，我们需要理解什么是超导现象。超导性是指某些材料在特定温度（临界温度 $T_c$）以下时，其电阻率突然变为零的现象。这意味着电流可以在这些材料中无损耗地流动，就像一条永不停息的河流。
除了零电阻外，超导材料还具有另一个关键特性，即迈斯纳效应（Meissner effect）。当材料进入超导态时，它会完全排除外部磁场，就像一个完美的磁屏蔽。这使得超导材料能够悬浮在磁场上方，也就是我们常说的“磁悬浮”。
二、为什么“室温超导”如此重要？
长期以来，超导性一直吸引着科学家们的目光，因为其潜在的应用价值是巨大的。然而，绝大多数已知的超导材料都需要在极低的温度下才能工作，通常需要液氦（约269°C）或液氮（约196°C）来冷却。这种极低的温度要求，以及制冷设备带来的巨大能耗和成本，极大地限制了超导技术的实际应用。
因此，实现室温超导（即在接近或达到室温25°C左右的温度下实现超导）一直是材料科学和物理学领域追求的“圣杯”。一旦实现，它将彻底改变我们现有的技术格局，带来颠覆性的变革。
三、这篇文章声称的突破是什么？
这篇文章声称在高压下实现了室温超导，这意味着：
首次实现“室温超导”： 这是最核心的突破。过去的研究虽然也探索了高温超导，但距离真正的“室温”还有很大差距。这次的突破将工作温度推向了人类感觉舒适的范围。
在高压下实现： 这也是一个重要的限制条件。虽然实现了室温，但需要施加极高的压力才能维持超导状态。这意味着这种材料并不能在“正常”的大气压下工作。
四、这一突破的潜在意义和影响（如果得以证实和应用）：
如果这项研究得到科学界的广泛证实，并能够克服高压使用的限制，其意义将是革命性的，覆盖人类社会的方方面面：
1. 能源领域：
无损耗输电： 目前电力输送过程中存在大量的能量损耗（约5%10%），这相当于每年浪费了数万亿千瓦时的电能。室温超导线缆可以实现几乎零损耗的电力传输，这将极大地提高能源利用效率，减少对化石燃料的依赖，对环境保护意义重大。
高效能源存储： 可以构建无需消耗能量就能长时间储存电能的超导磁能储存系统（SMES），这将彻底改变电网的储能方式，提高电网的稳定性和可靠性，为可再生能源的大规模接入提供可能。
更高效的发电设备： 发电机和变压器可以使用超导线圈，尺寸更小、效率更高，体积和重量也会大大减小，尤其在航空航天和海上风力发电等领域具有重要价值。
2. 交通运输领域：
超高速磁悬浮列车： 磁悬浮列车利用磁场实现悬浮和推进，如果使用室温超导材料，可以大大降低制冷成本和能耗，使得超高速磁悬浮列车的建设和运营更加经济可行，速度可以达到每小时1000公里以上，这将彻底改变长途交通运输模式。
更高效的电动汽车： 超导电机和储能系统可以使电动汽车更轻便、续航更长、充电更快。
3. 计算与电子领域：
超导计算机： 超导材料可以制造出速度极快、功耗极低的电子器件，有望催生新一代的超导计算机。这些计算机在处理大规模数据、进行复杂计算（如天气预报、药物研发、金融建模）方面将具有无与伦比的优势。
高灵敏度传感器： 基于超导量子干涉仪（SQUIDs）的传感器，其灵敏度远超传统传感器，可以用于：
医学成像： 更精确地探测人脑和心脏的微弱磁信号，实现无创诊断，例如更早发现癌症和神经系统疾病。
地质勘探： 精准探测地下矿藏和油气资源。
基础物理研究： 探测微弱的引力波等物理信号。
4. 科研与基础科学：
大型粒子加速器： 超导磁体是构建大型粒子加速器的关键组件，可以产生更强的磁场，加速粒子到更高的能量，从而推动粒子物理学的发展，探索宇宙最基本的奥秘。
核聚变反应堆： 维持可控核聚变所需的强大磁场约束，可以由室温超导线圈提供，大大降低了核聚变发电的成本和技术难度，有望实现清洁、取之不尽的能源。
五、对当前研究的挑战和后续发展：
尽管这项研究具有巨大的潜力，但我们需要认识到几个关键点：
“高压”是一个重大的限制： 目前实现室温超导需要极高的压力，这使得其在常压下的应用变得极其困难，甚至不可能。研究人员需要进一步探索在低压甚至常压下实现室温超导的材料和机制。
可重复性和验证： 科学的严谨性要求一项重大发现必须能够被其他实验室独立重复验证。这项研究的结果需要经过其他研究团队的严格检验，以确认其真实性和可靠性。过去的“室温超导”研究中，曾出现过争议和未能成功复现的情况，因此需要保持审慎的态度。
材料的稳定性和制备： 即使在高压下实现室温超导，这种材料的稳定性和可大规模制备性也是关键问题。能否在工业上大规模、低成本地生产出高质量的超导材料，将直接决定其能否真正转化为应用。
理论解释： 还需要深入的理论研究来解释为何在这种材料在高压下能够实现室温超导，这将有助于指导未来新材料的开发。
总结来说，10月15日《Nature》文章宣称的在高压下实现室温超导，如果能够被证实并且能够克服其高压的限制，将是人类历史上一次里程碑式的科学发现。它将开启一个全新的科技时代，从能源到交通，从计算到医疗，人类社会将发生前所未有的变革。然而，科学的道路充满挑战，从实验室的突破到广泛的实际应用，往往还需要漫长而艰辛的探索过程。
网友意见
让我想起了：有一个周润发早期的电影，骗媳女咋的，装着在练拳击，然后嘴里反复念：
机关枪啊机关枪，迫击炮啊迫击炮，打一发啊对不起啊再来一次
机关枪啊机关枪，迫击炮啊迫击炮。
对应的是啥呢：
金属氢啊金属氢；
氮爆弹啊氮爆弹！
2017年1月26日，在同一天，有两则十分有趣的科技新闻:
1是美国造出“金属H”，不是氢弹胜是氢弹。美国科学家将氢气压缩制成“金属氢”：室温中的超导体
2是中国造出“N2爆弹”，不是核弹胜是核弹。中国第四代核武器技术获突破 N2爆弹已与美并驾齐驱 （N是氮，氮爆弹）
自从世界各国签属“停止核试验协议”以来，主要大国再没有从事核炸逼的实验。核武器的发展物理上处于停滞状态。
然而，大流氓们并没有就此收手，分别沿着不同的路径，在不违反“停止核试验协议”的前提下，研究新的威力更强的大炸逼。
于是，巧就巧在同一天，有了美国的金属氢，兔子的N2爆弹。
这个就又是金属氢，267万个大气压，超导！
那还不如用液氮低温超导呢！
难怪我们导师经常说：学术就是自娱自乐，提出一个问题，编一个故事，凑点数据，发一篇论文。
如果能够被多方验证，这个论文的科学价值可以说是有很大的基础科学意义。
高压超导最大的科学价值在于，高压HS体系提供了一个非常干净的超导研究环境，来验证传统的BCS超导的上限在哪里。
这个超导故事起源于Ashcroft对于金属氢是室温超导的猜测，但实际的进展是来自吉林大学的崔田和马琰铭团队的理论预测。他们首先利用结构搜索+第一性电声耦合计算，预测了高压HS体系可能是高温超导体。没有纷繁复杂的强关联模型，没有两层纳米材料的拧来拧去，没有复杂的费米液体相图，就是简单直接的近自由电子气+电声耦合，足以解决强关联体系高温超导界几十年没有突破的室温超导问题。
这个问题可以在第一性原理框架下非常干净利落地进行描述，以至于精确到足可以进行定量预测。因此，当一个问题不是炼丹的时候，出现大的进展理所当然是可以期待的。
具体的细节，等我认真读过文章后再回来更新。
超低温常压超导，超高压常温超导……
有没有常温常压超导？
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