超导体 目前最高超导转变温度为-23℃，常温超导体距离我们还有多远？

2018年3月，中国青年学者曹原在英国《自然》杂志发表两篇论文，引起轩然大波；12月底，曹颖元荣登《自然》杂志“2018年十大科学人物”排行榜榜首，杂志封面用交错双层石墨烯组成的“10”字暗示曹颖元的发现。

曹源，1996年生于四川成都，2010年以669分考入中国科学技术大学大三班。他现在是麻省理工学院的博士生。

曹原在《自然》杂志上的文章发现，当双层石墨烯以1.1 的魔角放置时，会表现出超导性，转变条件需要特殊的磁场和1.7K的超低温，这不是某些介质所提倡的室温超导性。

1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯意外发现，当金属汞冷却到接近绝对零度的4.2k 时，汞的电阻突然消失。这一发现为人类探索超导体打开了大门，这位科学家获得了1913年诺贝尔物理学奖。

我们知道，导体导电是因为导体中有大量的自由电子，这些自由电子定向运动形成电流；但在运动过程中，自由电子会受到原子等电子的阻碍，使电子失去动能，进而转化为导体的内能，这就是电阻的微观原理。

超导体电阻为零是一种非常反常的现象。在这种情况下，“零电阻”并不意味着“电阻很小，可以忽略不计”，而是“超导体的电阻绝对为零”。

怎么理解？

有电阻就会有电流损耗。科学家们建造了一个环形超导体，然后用磁场激发感应电流。这个电流已经在环形超导体中运行了两年，没有任何衰减的迹象，表明超导体的电阻绝对为零。

我们中学熟悉的欧姆定律，本质上是经验公式，不是严格的物理定律，只适用于纯电阻的常规情况；比如电流达到几万安培，欧姆定律就会有2%左右的误差。

所以欧姆定律不适用于超导体，超导体中的电流需要用更本质的物理定律来描述，比如用电流I=Q/t的定义公式，即单位时间内通过的电荷量。

超导体的研究历史

超导体有三个特点:零电阻率、完全抗磁性和磁通量子化。

其中，“零电阻率”是人类电力系统中一个长期珍视的物质属性。如果能在常温下制造超导体，那绝对是人类科技的一大飞跃，电子产品会变得更加小型化，可控核聚变中的磁场强度会大大增加，或者在电力输送中损耗会降低。

超导体自发现以来，就成为科学研究中的一个关键项目。一开始发现汞的超导转变温度是4.2K，后来发现铅在7.2K也可以变成超导体；经过一段时间的研究，科学家们发现，当几十种简单物质接近绝对零度时，它们可以转化为超导体。

理论物理学家也试图解开超导体之谜。直到1957年，三位物理学家提出了BCS理论，在电子-声子相互作用的前提下解释了低温超导体的形成机制，并获得了1972年诺贝尔物理学奖。

美国物理学家麦克米兰还发现，BCS理论有一个39K左右的极限温度，任何高于这个温度的物质都不能形成超导态。这种限制破坏了人们的信心，因为这样低的温度很难在实践中使用。

直到1986年，两位国际商用机器公司的科学家，伯诺斯和缪勒，放弃了他们先前对金属合金中超导材料的研究，转而研究不受人们青睐的陶瓷材料。他们发现钡和氧化铜的超导转变温度达到35K，并发现这类材料可能突破麦克米兰极限，获得1987年诺贝尔物理学奖。

这可以让氧化物超导体的研究一下子火起来，然后研究人员尝试任何可以实验的材料；当时超导转变温度迅速上升到40K，然后43K，50 K...；1987年，赵忠贤等人在国内发现了90K钇钡氧化铜，首次将超导材料的转变温度提高到液氮水平。

77K是超导材料实用化的最低门槛，因为液氮可以用来制造超导体，比以前液氦和液氢制造的超低温低很多倍，所以77K以上的转变温度称为高温超导体。

1988年初，日本研究人员发现了一种110K铋锶钙铜氧超导体；当时在美国留学的中国学者盛发现了125K铊、钡、钙、铜、氧超导体；1993年，法国科学家在135K附近发现了汞、钡、钙、铜、氧的超导体，如果压力进一步增大，温度可以上升到164K。

经过20多年的发展，超导体的研究无论在实验上还是理论上都进展缓慢，高温超导体的产生机理一直是凝聚态物理最大的谜团；一些理论物理学家预测氢在超高压下会形成金属氢，金属氢在室温下很可能具有超导性。

2015年，两位德国科学家发现，硫化氢的超导转变温度在150 GPA时达到203K。这是自20世纪90年代发现汞-钡-钙-铜-氧超导以来超导转变温度的巨大提高，但极高的压力使这一成就不切实际。

然后在2018年12月，德国科学家团队再次宣称，他们发现LaH10在170万个大气压的条件下具有超导性，跃迁温度高达250K。目前这个发现还在同行评审中。如果被证明是真的，那将是人们发现超导体的最高跃迁温度，但所需压力太高，几乎等于地心压力。

然后在2018年，曹原团队发现的双层石墨烯超导现象轰动了科学界；其实石墨烯的超导性早就被发现了，只是之前石墨烯的超导性属于常规超导性。

曹原发现的双层石墨烯超导更像非常规超导。虽然最高超导转变温度为1.7K，但双层石墨烯仅通过简单的角旋转就可以从绝缘体转变为超导体，这是非常不可思议的。

对于氧化物高温超导体，由于其复杂的微观结构，很难在微观尺度上进行研究。超高压超导体更难研究，不能实际应用。

在曹原的实验中，石墨烯的微结构比较简单，实验参数如磁场、温度、电流、角度等。可以精确控制。这一发现给科学研究带来了新的思路，为高温超导现象提供了研究平台，这绝对是近几十年来超导研究领域最令人激动的事情。

如果科学家能从曹原的发现中分析出高温超导体的形成机理，距离常温常压下超导的实现就不远了，也许在未来几十年，你怎么看？

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