01
鬧劇背後的真相
「如果真的能發現常壓室溫超導材料，那將不亞於人類第一次學會用火。」結果這種激動很快就被證明是一次又一次「烏龍」。
室溫超導今年曾兩度引發學界、產業界熱議，只不過兩次情況略有不同。3月，美國羅切斯特大學迪亞茲（Ranga Dias）團隊宣布開發出在室溫和相對較低壓力條件下表現出超導性的材料，即由鑥-氮-氫（Lu- N-H）構成的三元化合物。很快，這一論文不僅被證實測量數據作假，甚至很多數據圖表直接剽竊了其他物理學家的工作成果，團隊信譽問題也備受質疑。
LK-99引發大範圍對室溫超導的關注
7月，韓國的物理學家團隊在預印本網站arXiv上傳了兩篇論文，也宣稱發現了首個室溫常壓下的超導體材料：改性鉛磷灰石晶體結構LK-99。
研究成果發布後，全球多個頂尖科研團隊參與復現實驗，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）就從理論上證明了這種用坩堝燒制常溫超導體的辦法存在可行性；然而經過多個中國團隊驗證，韓國團隊是錯把LK-99認成超導體，主要原因在於對實驗結果驗證的不夠充分，太著急發論文而忽略了多次獨立驗證的重要性。
但在2023年年末，除了已經被證偽的室溫超導外，我們也需要釐清一些基本問題，到底什麼是超導？超導體又為什麼會有超導現象？超導產業有沒有真正的進展？
02
超導體為什麼會「超導」？
超導，可以說是人類觀察到的第一個宏觀量子效應，此後每次超導的突破都會推動物理學進展，至今這仍是物理學界最重要的前沿問題之一。這也是為什麼，自1911年人類發現超導現象以來，已有5次諾貝爾獎頒發給了10位研究超導的科學家。
所謂超導，是指在一定條件下電阻等於零，電流可在其間無損流動的現象。沒有電阻意味著什麼？意味著當電流通過電纜傳輸時，就不會有熱損耗，可以節省大量的電能。即便是現在最好、最有效的導體，比如說金銀銅鋁，它們在傳輸電能方面的效率都無法達到百分之百，總會有一部分能量轉化為熱能散失掉。
超導現象除了沒有電阻外，還有個特點：不受磁場干擾。一般情況下，一個導體放在磁場中，磁感線會穿透這個導體，而超導體會把所有磁感線擠出去，不受到任何影響。這鐘抗磁性也被稱為邁斯納效應（Meissner effect）。
超導體具有抗磁性
想要更微觀的理解超導體原理，目前最主流的是「BCS理論」。先說最基礎的，一根導線就算不通電，裡面的電子也在做雜亂無章的無規則熱運動，只不過這時候它們和導線中的原子是一個整體，再怎麼運動也不會讓導線發熱；通電以後，電子也不是暢通無阻的從負極到正極，而是要跟導線中的原子相互碰撞、擠壓才能到終點。
但是當某些導體溫度降低至某一低溫點後，它的晶格結構會突然發生相變，變成超導相，通俗點說，超導體中的原子會被「原地封印」，只能留在自己的晶格節點上。
這樣一來，兩個原本均帶負電、互相排斥的電子會產生一種莫名的吸引力，從而兩兩配對構成「庫伯對」 (Cooper pair)。BCS理論證明，超導體內部的電子都能夠以「庫伯對」的形式在晶格中不受阻礙地運動，從而形成了整體的超導特性。
雖然BCS理論成功解釋了常規超導體的形成原理，但也給超導材料的研髮帶來了陰影。根據 BCS理論，超導現象的形成需要自由電子進行耦合，而高溫將會破壞這種耦合，因此，超導的轉變溫度是有上限的。
美國物理學家麥克米蘭根據BCS理論計算，認為超導臨界溫度最高不大可能超過40K，熱運動完全消失的溫度被稱為絕對零度，在攝氏溫標中為 -273.15 攝氏度，物理學表示為0K，40K即-233.15攝氏度。40K也因此被稱作「麥克米蘭極限」。
而在上世紀80年代，銅氧化物高溫超導體的發現引發了全世界範圍的「超導熱」。這一波熱潮中，麥克米蘭極限被不斷突破，在接下來的30多年裡，物理學家陸續發現了7大類、超過200種不同的高溫超導材料，最高的轉變溫度達到了驚人的134K 。根據定義，高溫超導體是指那些超過77K，即液氮溫度區間，仍然表現出超導電性的材料，這裡的高溫，只是相對常規金屬超導體的臨界溫度而言。
也就是說，BCS理論已經無法解釋高溫超導了，實際上超導物理領域的理論研究都沒辦法解釋。而學術界的共識是，技術往往會推動科學的進步，但在科學理論沒有突破之前，並不意味著技術就不能先突破。
因此，近年來儘管高溫超導的理論還是有些模糊，但在產業中的應用卻更加清晰。
03
高溫超導能否打開隱藏金礦
高溫超導體在具體使用中有兩大優勢：環境成本較低、應用限制少。低溫超導要在液氦環境下才能用，而液氦是稀缺、不可再生氣體，100升液氦能賣到1000美元；高溫超導所需要的液氮屬於廉價易得的低溫介質，要比液氦成本低得多。
目前高溫超導材料主要有銅氧化物超導體和鐵基超導體兩大類，在感應加熱、電力傳輸等領域已實現初步應用，在可控核聚變領域應用的可行性已得到證實，代替低溫超導材料也是業界應用方向之一。
現在高溫超導應用的比較好的領域還是醫療器材，比如在核磁共振（NMR）醫療設備上。這方面的領先者是西門子，主要歸功於它們的超導磁體技術。
作為核磁共振系統的重要組成部分，超導磁體能產生穩定且強大的磁場，用於激發和探測樣品中的核磁共振信號，也就是人體的柔軟組織如腦部、脊椎和關節等的原子核，通過對磁共振信號的接收、空間編碼和圖像重建等處理過程，最終提供更高的信噪比和更好的圖像解析度。
未來應用前景更驚人的恐怕是在電力傳輸領域。前面我們已經提到過超導的零電阻特性，實際應用中，現有的高溫超導電纜較常規電纜可提高3到5倍容量並降低60%的損耗。
不過，儘管上海、深圳、雲南等地都已經有高溫超導電纜示範線，但都沒有大規模鋪設，主要原因還是在於高溫超導電纜的成本比普通電纜高，且沒有產業大規模的帶動。未來，電動車的增長或許會是個好機會。
一根直徑僅有17.5厘米的超導電纜即可滿足深圳地標建築之一的平安金融中心用電
中科院院士歐陽明高曾提到，到2030年中國電動車保有量預計突破1億台，如果以電動汽車功率60千瓦、10%的充電同時率計算，則需要六億千瓦的電力裝機量來滿足電動車充電需求。從節省電能和簡化電網的角度看，高溫超導電纜勢在必行。