Nature發文：室溫超導體將如何改變科學？
7月末LK-99引發的熱潮在八月中旬逐漸平息。在多家權威機構相繼證偽LK-99的超導性後，8月16日Nature正式發文否認了LK-99是室溫超導。但一個問題仍然存在：真正的室溫超導體會是革命性的嗎？ 答案取決於應用的領域，以及假設的材料是否還具有其他關鍵品質。但至少在一些科學領域中，尤其是那些使用強磁場的領域，更好的超導體可能會產生巨大的影響。超導體是一種在一定溫度下能夠無電阻傳輸電流的材料，因此不會產生廢熱。但所有已確認的超導體都只在低溫或極端壓力條件下或兩者兼而有之的情況下才表現出這種特性。超導相變時熱容（c (v) ，藍色）和電阻率（ρ，綠色）的行為這種材料在實驗室中已隨處可見，因為研究人員能夠使用一系列技術來降低它們的溫度，儘管這會增加實驗的成本和複雜性。但在日常應用中，超導體的低溫要求是一道難以跨越的門檻。一個極端的例子是大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），它是歐洲核子研究中心（CERN）的加速器。為了讓質子在27 公里的圓圈內移動，大型強子對撞機利用溫度僅為1.9 開爾文（-271.25 ºC）的超導線圈產生強磁場。要做到這一點，首先需要一個包含96 噸液態氦的低溫系統。這是世界上同類系統中規模最大的。歐洲核子研究中心磁體研究員、核子工程師Luca Bottura曾表示，“如果我們不需要極端溫度，工程設計就會大大簡化。”因此，能在室溫下或接近室溫工作的超導體將迅速徹底改變許多科學領域。但科學還沒那麼快到達這個目標。量子問題以量子電腦為例，這項新興技術可望解決經典電腦無法完成的某些任務。而建構量子電腦的主要方法之一是將資訊儲存在超導材料環中。量子電腦這些超導材料被冷卻到接近絕對零度（-273.15 ºC），然後被裝在昂貴的、類似於俄羅斯娃娃的設備中，這種設備被稱為稀釋冰箱。稀釋冰箱在基於超導體的量子電腦中，溫度升高即使是零點幾度，性能也會迅速下降，原因與超導無關。超導量子計算的共同發明者中村泰信（Yasunobu Nakamura）認為，量子計算對任何類型的雜訊都極為敏感，而熱振動則是主要敵人，它會產生虛假的「準粒子（quasiparticles）」。他提到，在100-150 毫開爾文左右，就可以看到熱激發準粒子的對抗效應。在其他情況下，實驗本身可能不需要極度低溫，但超導體仍需要保持比其轉變為超導時（即Tc）還要低得多的溫度。超導體的物理特性各不相同。但在許多應用中，尤其是在高磁場磁體中，有兩個特性至關重要：臨界電流和臨界磁場。這是因為超導電性不僅會在溫度升高時喪失，而且還會在材料被推動承載超過一定量的電流或暴露在足夠高的磁場中時喪失。麻省理工學院的低溫系統中包裹著具有高轉變溫度的超導體.Credit：David L. Ryan/The Boston Globe via Getty 最重要的是，臨界磁場和臨界電流都與溫度有關：溫度越低，材料所能承受的電流和磁場就越大。因此，雖然超導體的Tc 很高，但這並不意味著它可以在低於Tc 的任何溫度下使用。在許多應用中，超導體的性能會隨著系統溫度的降低而提高。幸運的是，目前發現的最好的超導體，包括一類叫做銅氧化物（或銅酸鹽）超導體的超導體，只要保持足夠低的溫度，也能承受非常高的磁場。在現場四年前，位於佛羅裡達州塔拉哈西的美國國家高磁場實驗室（National High Magnetic Field Laboratory ，NHMFL）曾使用一種銅氧化物來獲得穩定（非脈衝）磁場強度的記錄。NHMFL 的超導線圈能產生45.5 特斯拉的磁場，但前提是它們必須保持在液態氦中，即低於4.2 開爾文。NHMFL首席科學家、物理學家Laura Greene說：“我們使用高-Tc超導體不是因為它們的Tc值高，而是因為它們的臨界磁場高。”美國另一個國家實驗室，位於新澤西州的普林斯頓等離子體物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory ，PPPL）的機械和電氣工程師Yuhu Zhai說：「如果你想要一個高磁場磁鐵，那就在盡可能低的溫度下運行它，因為那是你獲得超導性真正力量的地方。”歐洲核子研究中心正在探索未來粒子對撞機的選擇，該對撞機最終以比大型強子對撞機高七倍的能量粉碎質子，物理學家希望能在這個範圍內發現新的基本粒子。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機與超級質子同步加速器的地圖要達到這些更高的能量，粒子必須使用更高的場或沿著更長的加速器環路進行加速，或者兩者兼而有之。為了建造這樣一台機器，物理學家夢想在大型強子對撞機旁挖掘一條長達100 公里的環形隧道。但即使有這麼大的環形隧道，像大型強子對撞機那樣的超導磁體，即帶有鈮鈦線圈的8特斯拉怪獸也無法產生所需的磁場，估計至少需要16到18特斯拉。對此，Bottura認為，“在這一點上，我們顯然必須轉向其他材料。”目前的高Tc超導體可以實現這一目標，但可能需要將其保持在液態氦溫度下。中國提出的類似加速器：即環形電子-正電子對撞機，也將使用高Tc超導磁鐵。北京高能物理研究所所長王貽芳表示，他們考慮高溫超導材料已經有一段時間了，主要是銅酸鹽和鐵基材料。臨界電流然而，銅氧化物的超導體也有其他缺點：它們是脆性的陶瓷材料，生產成本高昂，也很難將其製造為電纜。此外，王貽芳也提到，這種材料的臨界電流也太低。而另一類鐵基超導體原則上表現較好，成本也只有氧化銅的一半。Bottura和其他人正在研究一種全新加速器的可行性。透過以μ介子（類似電子但質量大207倍的粒子）取代質子，對撞機可以研究與100公里長的質子-質子對撞機相同類型的物理學。但研究對撞機的環要小得多，甚至可以放入現有的大型強子對撞機隧道中，讓μ介子繞一圈並不涉及強度特別高的磁場。但問題是產生具有適當特性的μ介子束，可能需要高達40特斯拉的磁鐵。在這種強度下，問題不再是超導體，而是如何保持線圈的位置，因為電磁線圈內的電流往往會將磁鐵推開。而在40 特斯拉的條件下，即使是最堅固的鋼材也無法承受機械應力。相反，磁鐵可能需要使用碳纖維等更堅固的材料。(NHMFL磁鐵對強度的要求沒有那麼嚴格，因為它需要在只有幾厘米寬的空間內產生高磁場）。因此，在質子對撞機和μ介子對撞機中，超導體將會發揮巨大作用，但也可能出現其他工程挑戰。融合之旅然而，在另一類旨在利用核融合能的機器中，結構強度已成為了嚴重的限制因素。長期以來，一種既定的聚變方法是使用排列成圓環形狀，也被稱為託卡馬克（tokamak）的磁鐵來限制等離子體，將等離子體加熱到數百萬度，將氫的各種同位素碰撞在一起。世界上最大的實驗性託卡馬克名為ITER，正在法國南部建設，它將使用大型液態氦來冷卻磁鐵並產生接近12特斯拉的磁場。但根據Zhai的說法，工業和公共資助的實驗室都在努力設計基於高Tc超導體的託卡馬克磁鐵。原因有很多，如更高的磁場可能會大幅提高聚變反應器燃燒燃料的速率，從而在原則上提高可產生的能量，但從聚變中提取能量的許多關鍵步驟尚未得到證明。工業努力增加高Tc磁性材料產量的一個積極結果是讓它們的成本降低了，但它們仍比鈮-鈦材料昂貴得多。此外，Zhai也表示，託卡馬克最終應該放棄液態氦冷卻。一方面是因為冷卻系統複雜難建，另一方面是氦作為稀缺資源，難以建造數百個使用液態氦的ITER大小的反應器。Greene認為，尋找更好的超導材料是一項高風險的任務，迄今為止成功的案例寥寥無幾。儘管如此，她還是說到：“這是一項艱苦的工作，也是一項令人興奮的、正在改變世界的工作。”參考資料：https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8
答案取決於應用的領域，以及假設的材料是否還具有其他關鍵品質。但至少在一些科學領域中，尤其是那些使用強磁場的領域，更好的超導體可能會產生巨大的影響。超導體是一種在一定溫度下能夠無電阻傳輸電流的材料，因此不會產生廢熱。但所有已確認的超導體都只在低溫或極端壓力條件下或兩者兼而有之的情況下才表現出這種特性。
超導相變時熱容（c (v) ，藍色）和電阻率（ρ，綠色）的行為這種材料在實驗室中已隨處可見，因為研究人員能夠使用一系列技術來降低它們的溫度，儘管這會增加實驗的成本和複雜性。但在日常應用中，超導體的低溫要求是一道難以跨越的門檻。一個極端的例子是大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），它是歐洲核子研究中心（CERN）的加速器。
為了讓質子在27 公里的圓圈內移動，大型強子對撞機利用溫度僅為1.9 開爾文（-271.25 ºC）的超導線圈產生強磁場。要做到這一點，首先需要一個包含96 噸液態氦的低溫系統。這是世界上同類系統中規模最大的。歐洲核子研究中心磁體研究員、核子工程師Luca Bottura曾表示，“如果我們不需要極端溫度，工程設計就會大大簡化。”因此，能在室溫下或接近室溫工作的超導體將迅速徹底改變許多科學領域。但科學還沒那麼快到達這個目標。量子問題以量子電腦為例，這項新興技術可望解決經典電腦無法完成的某些任務。而建構量子電腦的主要方法之一是將資訊儲存在超導材料環中。
量子電腦這些超導材料被冷卻到接近絕對零度（-273.15 ºC），然後被裝在昂貴的、類似於俄羅斯娃娃的設備中，這種設備被稱為稀釋
稀釋冰箱在基於超導體的量子電腦中，溫度升高即使是零點幾度，性能也會迅速下降，原因與超導無關。超導量子計算的共同發明者中村泰信（Yasunobu Nakamura）認為，量子計算對任何類型的雜訊都極為敏感，而熱振動則是主要敵人，它會產生虛假的「準粒子（quasiparticles）」。他提到，在100-150 毫開爾文左右，就可以看到熱激發準粒子的對抗效應。在其他情況下，實驗本身可能不需要極度低溫，但超導體仍需要保持比其轉變為超導時（即Tc）還要低得多的溫度。
超導體的物理特性各不相同。但在許多應用中，尤其是在高磁場磁體中，有兩個特性至關重要：臨界電流和臨界磁場。這是因為超導電性不僅會在溫度升高時喪失，而且還會在材料被推動承載超過一定量的電流或暴露在足夠高的磁場中時喪失。
麻省理工學院的低溫系統中包裹著具有高轉變溫度的超導體.Credit：David L. Ryan/The Boston Globe via Getty
歐洲核子研究中心的大型強子對撞機與超級質子同步加速器的地圖要達到這些更高的能量，粒子必須使用更高的場或沿著更長的加速器環路進行加速，或者兩者兼而有之。為了建造這樣一台機器，物理學家夢想在大型強子對撞機旁挖掘一條長達100 公里的環形隧道。但即使有這麼大的環形隧道，像大型強子對撞機那樣的超導磁體，即帶有鈮鈦線圈的8特斯拉怪獸也無法產生所需的磁場，估計至少需要16到18特斯拉。對此，Bottura認為，“在這一點上，我們顯然必須轉向其他材料。”目前的高Tc超導體可以實現這一目標，但可能需要將其保持在液態氦溫度下。中國提出的類似加速器：即環形電子-正電子對撞機，也將使用高Tc超導磁鐵。北京高能物理研究所所長王貽芳表示，他們考慮高溫超導材料已經有一段時間了，主要是銅酸鹽和鐵基材料。臨界電流然而，銅氧化物的超導體也有其他缺點：它們是脆性的陶瓷材料，生產成本高昂，也很難將其製造為電纜。此外，王貽芳也提到，這種材料的臨界電流也太低。而另一類鐵基超導體原則上表現較好，成本也只有氧化銅的一半。Bottura和其他人正在研究一種全新加速器的可行性。透過以μ介子（類似電子但質量大207倍的粒子）取代質子，對撞機可以研究與100公里長的質子-質子對撞機相同類型的物理學。但研究對撞機的環要小得多，甚至可以放入現有的大型強子對撞機隧道中，讓μ介子繞一圈並不涉及強度特別高的磁場。但問題是產生具有適當特性的μ介子束，可能需要高達40特斯拉的磁鐵。在這種強度下，問題不再是超導體，而是如何保持線圈的位置，因為電磁線圈內的電流往往會將磁鐵推開。而在40 特斯拉的條件下，即使是最堅固的鋼材也無法承受機械應力。相反，磁鐵可能需要使用碳纖維等更堅固的材料。(NHMFL磁鐵對強度的要求沒有那麼嚴格，因為它需要在只有幾厘米寬的空間內產生高磁場）。因此，在質子對撞機和μ介子對撞機中，超導體將會發揮巨大作用，但也可能出現其他工程挑戰。融合之旅然而，在另一類旨在利用核融合能的機器中，結構強度已成為了嚴重的限制因素。長期以來，一種既定的聚變方法是使用排列成圓環形狀，也被稱為託卡馬克（tokamak）的磁鐵來限制等離子體，將等離子體加熱到數百萬度，將氫的各種同位素碰撞在一起。
世界上最大的實驗性託卡馬克名為ITER，正在法國南部建設，它將使用大型液態氦來冷卻磁鐵並產生接近12特斯拉的磁場。
但根據Zhai的說法，工業和公共資助的實驗室都在努力設計基於高Tc超導體的託卡馬克磁鐵。原因有很多，如更高的磁場可能會大幅提高聚變反應器燃燒燃料的速率，從而在原則上提高可產生的能量，但從聚變中提取能量的許多關鍵步驟尚未得到證明。
工業努力增加高Tc磁性材料產量的一個積極結果是讓它們的成本降低了，但它們仍比鈮-鈦材料昂貴得多。此外，Zhai也表示，託卡馬克最終應該放棄液態氦冷卻。一方面是因為冷卻系統複雜難建，另一方面是氦作為稀缺資源，難以建造數百個使用液態氦的ITER大小的反應器。Greene認為，尋找更好的超導材料是一項高風險的任務，迄今為止成功的案例寥寥無幾。儘管如此，她還是說到：“這是一項艱苦的工作，也是一項令人興奮的、正在改變世界的工作。”參考資料：https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8