就算室溫超導(dǎo)真實(shí)現(xiàn)了，就能用于輸電、磁懸浮和核磁共振嗎？
今天，很多人的朋友圈和公眾號(hào)都被“室溫超導(dǎo)”刷屏。近常壓室溫超導(dǎo)的文章可靠嗎？超導(dǎo)材料是什么？此項(xiàng)技術(shù)又有哪些應(yīng)用可能？
撰文/張子立（超導(dǎo)材料博士、研究人員） 編輯/趙天宇
迪亞斯教授于2023年3月9日再次發(fā)表重磅文章，宣布了近常壓室溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。（近常壓也是10kBar，就是1萬(wàn)個(gè)大氣壓，大約1GPa。在做高壓的人眼里，這個(gè)壓力很容易到達(dá)，但是在日常生活中，這個(gè)壓力還是很高的）開(kāi)始在網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)酵，炒作此物如何能夠改變生活，提到的應(yīng)用都是輸電、磁懸浮甚至MRI（核磁共振成像）等公眾熟知的超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域。那么，近常壓室溫超導(dǎo)材料真的能應(yīng)用在我們身邊嗎？
雖然迪亞斯教授有兩次撤稿前科，但是本文不想討論這篇文章是否造假，所有一切討論，都是基于本文的數(shù)據(jù)真實(shí)可信的基礎(chǔ)上的。其次，本文不討論該發(fā)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)理論的意義進(jìn)行討論，因?yàn)椴粚儆趹?yīng)用范圍。
結(jié)論在前，不論LuN1?δHε（網(wǎng)上有人稱(chēng)之為鹵蛋氫，下文照搬）是否為真，他都不可能用于MRI和磁懸浮，用于輸電的工程實(shí)踐性也幾乎是零。
近常壓室溫超導(dǎo)的文章可靠嗎？
作為一個(gè)做了一輩子超導(dǎo)的人，室溫超導(dǎo)絕對(duì)是一個(gè)夢(mèng)一般的東西。相比于之前撤稿的文章，這篇文章數(shù)據(jù)更加詳實(shí)，不僅包含了電測(cè)試，磁測(cè)試，甚至包括了比熱測(cè)試以及樣品的XRD，可算是真良心了。
從一個(gè)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)的角度出發(fā)看，曲線(xiàn)似乎沒(méi)啥問(wèn)題，前后邏輯很合理，一眼看過(guò)去，沒(méi)啥自相矛盾的地方。且由于這次測(cè)試的非常全面，讓我們對(duì)這個(gè)有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。鹵蛋氫是從金屬Lu箔加N和H獲得的，看樣子合成后的樣品也是固體，但是不知道是否還保持著金屬的特性。總之這篇文章披露的信息足夠豐富，也足夠應(yīng)用領(lǐng)域判斷是否能夠使用。
超導(dǎo)材料應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)
超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)叫強(qiáng)電應(yīng)用，一類(lèi)叫弱電應(yīng)用。強(qiáng)電和弱電的區(qū)分主要是電壓，也就是大規(guī)模應(yīng)用（對(duì)應(yīng)強(qiáng)電）和芯片應(yīng)用（對(duì)應(yīng)弱電）。大規(guī)模應(yīng)用就是我們經(jīng)常在網(wǎng)上能看到的，輸電，核磁共振成像（MRI），磁懸浮列車(chē)以及對(duì)撞機(jī)等。
芯片應(yīng)用一般是濾波器，SQUID等器件方面的應(yīng)用。網(wǎng)上盛傳的這次的鹵蛋氫的應(yīng)用，基本都集中于大規(guī)模應(yīng)用方面，畢竟芯片應(yīng)用在日常生活中幾乎看不到。
大規(guī)模應(yīng)用，顧名思義需要大規(guī)模的超導(dǎo)材料，這需要超導(dǎo)材料具備兩方面的特性。
可相對(duì)容易的大規(guī)模制備。一般大型的MRI和磁懸浮列車(chē)所用到的超導(dǎo)材料都是公里級(jí)別的，對(duì)撞機(jī)甚至?xí)脦资锛?jí)別的，而輸電則完全看距離長(zhǎng)短了。
要有足夠的承載電流能力。由于這些大規(guī)模應(yīng)用中使用的是超導(dǎo)材料的零電阻性，也就是在直流（輸電是工頻）下，損耗小的特點(diǎn)。這就能允許我們?cè)诟〉木€(xiàn)圈中通入更大的電流，從而獲得更強(qiáng)的中心磁場(chǎng)。
大部分科普都提到了，超導(dǎo)是一種低于臨界溫度就會(huì)電阻消失的神奇材料。但是實(shí)際上，在臨界溫度之外，還有兩個(gè)參數(shù)分別是臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)，所以大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料一定要有高臨界電流密度，才能承載高的電流。同時(shí)，類(lèi)似MRI、對(duì)撞機(jī)和磁懸浮，超導(dǎo)材料都是工作在特斯拉級(jí)別的磁場(chǎng)下的，這就要求超導(dǎo)材料具有較高的臨界磁場(chǎng)值。
近常壓室溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用可能分析
根據(jù)上一段的描述，一個(gè)想用于輸電、磁懸浮和MRI的超導(dǎo)材料，高的轉(zhuǎn)變溫度僅僅是錦上添花的屬性，真正的要求是：可以簡(jiǎn)單地大規(guī)模制備、有足夠大的臨界電流，且有足夠大的臨界磁場(chǎng)。
鹵蛋氫的這三方面性能是啥樣呢？
在制備方面，目前無(wú)法得知鹵蛋氫是不是還保持著金屬的特性，即優(yōu)良的延展性。但是無(wú)論是否保存，鹵蛋氫的工作環(huán)境需要對(duì)其施加1萬(wàn)個(gè)大氣壓（1GPa）。如何對(duì)這么一個(gè)長(zhǎng)將近3米的大家伙均勻施加1GPa的壓力，幾乎是不可能的。
電流承載方面，原文的圖3b展示了M-H曲線(xiàn)，我們可以通過(guò)經(jīng)典的Bean模型去計(jì)算其臨界電流密度。我們大概可以得知，樣品的直徑應(yīng)該是120,280,600微米，厚度是100微米?？紤]到他提到了280和600微米是低壓用的，而室溫的超導(dǎo)正是低壓出來(lái)的，所以我們?nèi)≈睆綖?span style="font-family:Calibri">280或者600微米，那么體積就是6.16E-06和2.83E-05立方厘米。從圖中可以看出磁矩的絕對(duì)值最大值大概是1 emu以?xún)?nèi)，我們就去1 emu吧，可以輕松算的臨界電流密度是870A/cm2和88A/cm2@0.1T
臨界磁場(chǎng)方面，同樣從圖3b中可以看出來(lái)，不可逆磁場(chǎng)大概也就0.5T左右。具體啥叫不可逆場(chǎng)呢，為啥不是臨界磁場(chǎng)呢？還是不解釋了吧，就是一個(gè)數(shù)值，過(guò)了這個(gè)數(shù)值，超導(dǎo)材料就不能用了。
根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，我們可以初步看到，鹵蛋氫似乎不太適合用于大規(guī)模應(yīng)用，也就是輸電、磁共振和磁懸浮等。下面我們通過(guò)列表比對(duì)目前被公認(rèn)最好的超導(dǎo)材料之一REBCO（稀土鋇銅氧化合物）的性能，來(lái)進(jìn)一步展示。從表格中可以輕易看出，三個(gè)指標(biāo)上，REBCO完爆鹵蛋氫。
這里要指出，目前國(guó)際上產(chǎn)業(yè)化的超導(dǎo)成品中，NbTi這個(gè)最古老的超導(dǎo)材料占據(jù)超過(guò)95%的市場(chǎng)。在這三個(gè)指標(biāo)上，NbTi未必很高，但是更加成熟好用。所以實(shí)際上，不論是對(duì)撞機(jī)還是MRI，絕大部分都采用的NbTi。
結(jié)束語(yǔ)
近常壓室溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)（如果是真的）絕對(duì)是令人鼓舞的。但是由于其必須高壓下使用、很低的臨界電流密度和更低的臨界磁場(chǎng)，使得這個(gè)材料從根本上不可能用于輸電（需要大電流），MRI和磁懸?。ㄐ枰谳^大磁場(chǎng)下依然能承載較大電流）。室溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變固然是完美的屬性，但是超導(dǎo)的核心是因?yàn)榱汶娮瑁钥梢猿休d很大的電流。如果因?yàn)槭覝囟艞夒娏鞒休d能力，無(wú)異于買(mǎi)櫝還珠。
在弱電應(yīng)用領(lǐng)域，弱電應(yīng)用第一不需要承載大電流，第二不需要承受高磁場(chǎng)，第三對(duì)于一個(gè)厘米級(jí)別的東西施加GPa壓力是可行的。至少?gòu)倪@三個(gè)角度來(lái)說(shuō)，弱電應(yīng)用可能是鹵蛋氫的應(yīng)用希望。
總之，鹵蛋氫的發(fā)現(xiàn)很可能是超導(dǎo)研究的里程碑，但是這種材料，甚至這類(lèi)材料都不可能用于輸電和超導(dǎo)磁體。
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