3月7日下午，美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队在美国物理学会会议上宣布，他们已经创造出一种可以在室温（room temperature）条件下实现超导的全新材料。消息发布后，在全球引起轩然大波。
CMC资本投资人罗英华（Yinghua Luo）也在第一时间关注到这一在超导材料领域引发巨震的事件，并通过本期「C位」视角和大家一起来聊一聊室温超导的历史和挑战。
罗英华 Yinghua Luo
CMC资本 投资副总裁
新能源、新材料、先进制造
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昨天一则爆炸性的消息成为新闻关注的焦点，Rochester大学的Ranga Dias在APS March Meeting（美国物理学会三月会议，这是美国一年一度的物理学术盛会）上报告了课题组的最新发现：在近常压下实现了近室温超导（Tc=294K@1GPa）。
常温常压超导可以说是凝聚态物理的终极圣杯。如果Dias的结果是可靠的，那意味着这是历史性的突破。APS会场一度爆满，也引发了外部的热烈讨论。
到底什么是室温超导？为什么如此重要？研究结果是否可靠？学术界的评价如何？我们应该如何看待？笔者是理论物理背景出身，CMC资本也一直非常关注超导科学研究和产业化的进展。希望这篇文章能够帮助读者理清室温超导的来龙去脉。
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超导材料研究的历史
超导体是具备零电阻和完全抗磁性的材料。超导一直是物理学的前沿研究课题，诺贝尔物理学奖将前后5次颁给超导领域的研究，包括超导电性的发现，BCS理论的提出，约瑟夫森效应，高温超导体的发现和第二类超导体理论。
为什么超导一直没有实现大规模的应用？最大的瓶颈在于超导转变的临界温度（Tc）远低于室温。
1911年Onnes首次发现在4.2K以下汞金属具有超导电性。1957年BCS（Bardeen、Cooper和Schrieffer）理论成功解释了金属的超导机理。该理论指出，尽管电子通常是相互排斥的，自旋相反的电子通过交换声子可以形成库珀对，而库珀对是玻色子，在一定温度下（即临界温度Tc）就出现波色凝聚，从而形成超导。
BCS理论的提出掀起了超导研究的第一次热潮，科学家们试验了大量金属和合金材料，然而Tc提高却不尽如人意，上个世纪80年代Tc才勉强提高到23K，2001年日本科学家才发现了39K的超导材料。这类符合BCS理论的超导材料被称为常规超导，根据理论，麦克米兰的计算表明Tc的极限大约40K左右，相当于零下233度，这意味着必须在液氦环境中（沸点4.2K）才能维持超导电性，液氦价格昂贵，这使得这类常规超导材料几乎没有产业化的潜力。
1986年，瑞士IBM公司的Müller和Bednorz发现了一种全新的铜氧化物超导材料，尽管Muller的材料临界温度只有35K，但是他们为学术界提供了全新的思路，其他科学家纷纷效法，铜基超导的临界温度很快就超过了麦克米兰极限，掀起了第二次超导研究热潮。目前常压下的极限可以达到135K，在高压下可以进一步提高到165K。这类材料被称为非常规高温超导材料（或第二代高温超导材料），他们可以在液氮（沸点77K）环境中工作，液氮价格相比液氦大大降低，因此具备了产业化的可能。
值得一提的是，第二代高温超导材料已经进入了产业化应用，例如上海政府在2021年12月建成了一条1.2km的35kV超导电缆，正是采用了我国上海超导公司制备的高温超导材料。2021年美国MIT与初创公司Commonwealth Fusion Systems搭建的小型聚变反应堆也是采用了这种材料，能够实现高达20T的中心磁场强度。
图1：上海超导电缆终端于2021年12月投运，已经平稳运营超过1年
2008年，日本科学家另辟蹊径，又发现了一种铁基高温超导材料，最高临界温度也超过了麦克米兰极限。但总体来说，非常规高温超导的研究已经达到瓶颈，过去30年内几乎没有实质性的提高。最大的挑战在于其微观图像和机理一直悬而未决，传统的BCS理论不能很好地描述其物理过程，甚至被Science杂志评为是125个最具挑战性的科学基本问题。没有基础科学理论的指导，科学家犹如盲人摸象，材料进步举步维艰。
图2：超导材料发展历史[1]，翠绿色代表常规超导材料，红色代表和浅绿色分别代表铜基和铁基非常规高温超导，紫色线是液氮沸点77K，粉色代表高压富氢超导
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高压常温超导研究的兴起
非常规高温超导陷入停滞，于是人们将注意力又放在了BCS理论上。根据理论模型，更轻元素理论上拥有更高的临界温度。自然界最轻的元素氢很快就进入了科学家的视野。
早在1935年，Wigner和Huntington就提出，在足够高压下，分子氢就能转变为原子氢的金属。理论物理学家Ashcroft在1968年计算指出金属氢的理论临界温度高达3500K，奠定了常温超导材料的理论基础。
尽管今天科学家已经可以在实验室环境内实现的500GPa超高压环境（500百万个大气压，已经超过了地球内核的压力），但仍然无法得到金属氢。于是2004年Ashcroft又提出了富氢金属合金的全新概念，利用较大的金属原子对氢原子的挤压实现“化学预压”，从而可能在更低的外部压力下实现氢的金属化。2015年德国马普所的Drozdov和Eremets（此人后面会提到）发现SH₃在150GPa下临界温度可以达到203K。这个令人激动的发现不仅证实了常温超导的可能性，其实验结果也被其他物理科学家成功重现，近年来掀起了高压常温超导的研究热潮。各种元素和氢的二元化合物都被相继发现，其中最具有代表性的是LaH₁₀。2019年Drozdov和Eremets实现自我突破，发现LaH₁₀在170GPA下临界温度高达250K。
图3：LaH₁₀笼型结构，粉红色代表La原子（粉色）构成笼子包裹住H原子（绿色），形成所谓的化学预压
通人可能很难想象几百万个大气压的高压环境如何实现。20世纪70年后，激光加温金刚石压砧、六面顶压机等超高压技术的出现和进步，科学家可以在极小的面积内实现极高的压力，高压物理学快速发展，而高压富氢材料正是高压物理学和超导物理学相结合的结晶。
图4：金刚石压砧的基本结构，材料放置于中心的微型腔室内，在外部机械压力下，金刚石对顶砧的接触面积极小，从而实现了极高的压力
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为什么学术界屡次质疑Dias的成果
2020年美国Rochester大学的Dias（也就是本次新闻的主角）发现了C-S-H碳硫氢体系可以在267GPa下实现288K的临界温度，这个温度已经相当于春季的标准室温，虽然物理学上定义的室温是300K（27摄氏度），但Dias仍将材料冠名为人类首个室温超导材料。2020年10月14日，文章登上了Nature封面，引起物理学界的巨大轰动。
但戏剧性的是，Dias的研究遭到了物理学同行的大量质疑。其中最突出的是美国理论物理学家Jorge Hirsch（也是论文引用指标h-因子的发明人）。Hirsch首先在arXiv预印本平台上公开质疑Dias论文的磁化率数据，认为可能是数据操纵和修改的结果。随后Hirsch找到Dias希望获得实验原始数据，多次询问无果后又通过Nature杂志转达了自己的请求，却被Dias以专利保密等理由拒绝。于是Hirsch开始要求Nature杂志进行学术调查，自己则在arXiv等平台发布了数篇文章，甚至直接称之为“科学欺诈”。而Dias也被迫在arXiv上发布了原始数据和回应。一时间arXiv成为双方交战的主战场，2021年双方的唇枪舌战成为物理学家茶余饭后津津乐道的话题。
事件高潮是22年9月Hirsch又发表了一篇长文，对原始数据进入深入分析，认为所谓的超导数据是人工拟合的函数，而背景信号是非随机噪音。正是这篇质疑文章最终导致原作于2022年9月26日被Nature撤稿。Hirsch甚至向Dias所在的Rochester大学投诉其学术不端的问题，但是Rochester大学称在调查中并未发现证据。
图5：Dias 2020年论文中关于外部磁场下的磁化率和超导转变数据，由于金刚石对顶砧内空间狭小，测量变得极其困难且数据很容易被误差干扰，而Dias的实验数据过于完美，Hirsch仔细研究原始数据后认为可能是函数拟合的结果
对于细节感兴趣的读者可以参考罗会仟老师去年9月份在知识分子上发表的文章[2]，对整个过程有很完整的记录。罗老师在中科院物理所从事高温超导机理研究，去年出版了一本《超导“小时代”：超导的前世、今生和未来》的科普读物，对于希望深入了解超导材料的读者是很好的入门读物。
需要特别指出，尽管Hirsch的质疑是导致撤稿的直接原因，但并不一定意味着他的质疑是对的。Hirsch不仅仅质疑Dias的研究，同时也质疑所有关于高压超导材料的研究，甚至质疑BCS理论有巨大漏洞。Hirsch在2009年写了文章《BCS超导理论：世界最大的麦道夫骗局》，文章把BCS理论批得体无完肤。在另外一本学术著作《Superconductivity Begins with H》中，Hirsch更是宣称传统超导理论“误导”了整个科学界。
图6：APS三月会议的安排耐人寻味，Hirsch的报告紧挨着Dias的报告，Hirsch在报告中再次质疑相关研究成果
2020年的Nature论文事件不是Dias第一次收到学术界质疑。2017年Dias还在哈佛大学读博后的时候，在Science上发表论文，宣布在495GPa下合成了金属氢。Dias只是观测到了样品具有金属反光，并未对金属氢样品做超导电性测量，然而匪夷所思的是这份珍贵的样品竟然被Dias“不小心”弄丢了，再也没有后续实验。国际上其他小组也没能重复金属氢的实验结果，因此是否真的成功制备金属氢，金属氢是否具备超导电性至今还没有答案。
2020年Dias实验结果也同样存在可重复性问题，多位科学家试图重复均以失败告终。Eremets（SH₃的发现者）谨慎表示实验可能是真的，但至少重复了6次实验，全部失败。一个善意的解释是Dias故意隐藏了实验的关键细节，比如具体使用了哪种碳的同素异形体，这可能是为了自己公司的利益。我们发现，当学术界争论不休的时候，Dias成立了Unearthly Materials 公司，以研发商用室温超导体，并成功拿到了种子轮和A轮融资，投资人包括OpenAI的Altman等硅谷科技领袖。
图7：Dias的Unearthly Materials公司已于2021年3月获得了Sam Altmanr（OpenAI）等硅谷大咖的2000万美金A轮融资[3]
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如何看待Dias最新的发现
图8：Dias在APS March Meeting上公布的关键性发现：近常压常温超导
首先Dias只是在APS March Meeting小范围公布了部分实验结果，学术界还需要等待他公布论文全文，才知道实验的具体细节。压力下降到1GPa，对高压设备的要求大大降低，更多课题组都会尝试重复Dias的实验结果。我们需要静待同行评议和重复实验的结果，相信科学真理会越辩越明。
高压下神奇的超导特性虽然迷人，但是如何在常压下维持，这才是高压超导材料走向产业化的关键。Dias将压力从100+GPa降低到1GPa是巨大的提高，但1GPa（1万个大气压）相当于地下35km的压力，产业化的成本不亚于液氦，是否还有进一步下降2-3个数量级的可能性？
常温超导材料一旦实现，会直接开启下一次工业革命，引发的科技革命将超乎所有人的想象。超导电缆可以实现电力无损传输，彻底改变远距离能源传输的方法；超导电子元器件，可以极大地提高电子设备的功耗效率；基于超导电路，超导量子计算机将提前问世，从而彻底颠覆现有的密码学基础；超导材料也是可控核聚变的关键材料，人类对能源利用效率会提升数个数量级。
我们也希望Dias能够公布更多的实验细节，让全球科研工作者齐心协力，推动常温常压超导材料从想象走进现实。
[1] 单鹏飞,王宁, 孙建平, 孙建平, 程金光. 富氢高温超导材料. 物理 50(04), 217(2021)
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/EWiDZkuGkXNaE1ckYLqefg
[3] Prof. Ranga Dias's Talk on "Towards Ambient Superconductivity: Novel Hydrogen-Rich Materials"
