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室溫超導（room-溫度 superconductivity）為在室溫條件下所能實現的超導現象。超導現象是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度（Tc）以下時，電阻突然消失（零電阻效應），同時外磁場磁力線全部排出體外（完全抗磁性）的一種電磁現象，具備超導現象的物體為超導體。

1911年，荷蘭物理學家海克·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現，當溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時，浸泡在液氨里的金屬汞的電阻會消失，標志著超導現象被發現。隨后，一個世紀中，科研學者對超導現象的原理研究以及材料的尋找在進行不斷的嘗試和努力。2019年，室溫超導的研究獲得了進一步突破。當時美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）的研究組宣布，十氫化（LaH10）在190萬個大氣壓下，可以在逼近室溫的260K以上出現超導性，這是曾經超導臨界溫度的最高紀錄。2023年7月22日，韓國量子能源研究中心（Q-centre）、高麗大學等團隊的研究人員提交論文，宣布成功合成了世界上第一個室溫常壓超導體，但該研究樣品被指有瑕。

概述

超導現象是指，某些材料在溫度降低到某一臨界溫度（Tc）以下時，電阻突然消失（零電阻效應），同時外磁場磁力線全部排出體外（完全抗磁性）的一種電磁現象。這讓超導體在傳輸電能的過程中幾乎沒有能量耗損，且每平方厘米超導材料上還能承載更強的電流。而一般常規的材料，在導電過程中都會損耗大量的能量。而室溫超導就是某種材料在室溫條件下（約300 K或更高）能形成的超導現象。多位研究人員已經聲稱發現了室溫超導體，但都尚未得到證實。

超導原理

超導原理為超導電性量子理論（BCS理論）常溫下，在金屬導體中充滿了擺脫了原子束縛的無序排列的自由電子，在一-定的電壓下，它們的定向運動就形成了電流。在這種定向運動中，電子受到的阻礙稱為電阻。當溫度下降到超導臨界溫度以下時，自由電子不能完全無序地運動，由于晶格的振動作用，有一部分正常電子會兩兩凝聚成--個電量為2e的庫柏電子對（T-0時，電子全部“凝聚”成庫柏對）。當庫柏電子對與晶格相互作用時，兩電子的動量可彼長此消，但它們的總動量始終保持不變。因此電子對2e幾乎不受晶格的散射作用，宏觀上便表現為直流電阻為零。

溫度越低，庫柏電子對越多，電子對的結合越牢固，不同電子對之間相互的作用力越弱。在電壓的作用下，庫柏電子對按一定方向暢通無阻地流動起來。當溫度升高后，出現不成對的單個激發電子，相當于正常的電子，而且電子對因受熱運動的影響而遭到破壞，吸引力減弱，結合程度變差。溫度越高，庫柏電子對的數目越少，直到臨界轉變溫度時，電子對全部拆散成單個的正常電子，超導態轉變為常導態。這就是超導電性量子理論。概括起來，它的主要內容是：

①超導電性來源于電子間通過聲子作媒介所產生的相互吸引作用，當這種作用超過電子間的庫侖排斥作用時，電子會形成束縛對，就是上面講的庫柏對。從而導致超導電性的出現。庫柏對會導致能隙存在，超導臨界場、熱力學性質和大多數電磁學性質都是這種庫柏對的結果。

②元素或合金的超導轉變溫度與費米面附近電子能態密度N（EF）和電子聲子相互作用能U有關，可用電阻率來估計。

該理論是在1957年由美國物理學家約翰·巴丁（J.Bardeen）、庫柏（N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）提出的，所以又被稱為BCS理論。該理論是從微觀角度對超導電性機理做出合理解釋的最富有成果的探索，也可以得到磁通量量子化的結論。它是第一個成功地解釋了超導現象的微觀理論，也是目前唯一成功的超導微觀理論。后來又有一些形式上的發展和完善，但基本思想沒有太大的變化。

發展歷程

超導現象的發現

1882年荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）成為萊頓大學物理系教授，將實驗室的主攻方向定為低溫物理學，并在２年后創建了聞名世界的低溫研究中心—萊頓實驗室。1911年，昂內斯利用液氨將金和鉑冷卻到4.3K以下，發現鉑的電阻為一常數。隨后他又將汞冷卻到4.2K 以下，測量到其電阻幾乎降為零。在3K時，他發現電阻降到3×10－6以下，這是第一次觀察到的超導電性。1913年，昂內斯又發現錫和鉛也和汞一樣具有類似現象。他意識到，在非常低的溫度下，某些物質的分子熱運動會接近消失，出現電阻趨近于零的現象，他把這種現象稱為超導，處于超導狀態下的物質是超導體。科學界很快意識到了昌內斯工作的科學價值。1913年9月在華盛頓哥倫比亞特區召開的第三屆國際制冷會議上，海克·昂內斯正式提出了“超導態”概念。

超導體的零電阻效應被發現后，人們也許是驚喜萬分，在相當長的一段時間里，一直誤認為超導電性是超導體的最本質的性質，卻忽略了超導體的磁性質。1933年，邁斯納（Meissner）和奧克森費爾特（Ochsenfeld）在實驗中發現：在臨界溫度以上，將具有超導電性的物體移入磁場中，當溫度降低到臨界溫度以下轉變為超導態后，磁場完全被排斥到超導體之外，超導體內部磁場為零。后來稱這一發現為“邁斯納效應”。但是這個時期還是認識超導機制的起步階段。

在20世紀30年代，超導研究取得了突破性進展。1934年高特（C.J.Gorter）和卡斯米厄（HBCasimir）提出了二流體模型。1935年倫敦兄弟（F.London 和HLondon）提出了著名的倫敦方程，這一方程能描述超導體的零電阻特性及邁斯納效應，同時引入了穿透深度的概念，即外磁場在超導體中的衰減長度。隨即，1950年，金茲伯格（VLGinzburg）和列夫·達維多維奇·朗道（L.DLandau）提出了一個基于二級相變的使用序參數描述超導的唯象理論，被稱為Ginzbrug-Landau（G-L）理論；1953年，皮帕爾德（ABPippard）引入非局域超導電動力學，發展了倫敦理論，并提出超導相干長度的概念。

1957年，巴登（Bardeen）、庫珀（Cooper）和史雷夫（Schrieffer）三人共同建成了完整的超導微觀機制，即BCS理論，成功地解釋了超導現象。根據這一理論，超導電性的起因是在超導體中費米面附近的電子之間存在著通過交換聲子而發生的吸引作用，由于這種吸引作用，費米面附近的電子兩兩結合成對，形成了“庫珀對”。當超導金屬處于靜電平衡時（沒有電流），每個“庫珀對”由兩個動量完全相反的電子所組成。同年，阿布里柯索夫（AAAbrkosov）在超導正常態負界面能情況下求解G-L方程，從而預言了第I類超導體及磁通量點陣的存在，戈爾柯夫（L.PGorkov）則證明G-L方程可由微觀理論導出，故也將G-L理論和阿布里柯索夫及戈爾科夫的理論通稱GLAG理論；1962年，布賴恩·約瑟夫森（BDJosephson）在理論上預言了超導的約瑟夫森效應，即庫柏對的隧道效應。

在實驗方面，1950年，詹姆斯·麥克斯韋（E.Maxwell）和雷諾（C.AReynolds）發現了超導的同位素效應；1953~1960年間他們利用各種實驗方法對超導體的研究表明，在電子激發譜中存在能隙；1961年發現磁通量量子化：1967年觀察到超導處于混合態下的磁通晶格；自1964年以來對宏觀量子干涉現象也進行了大量的研究。

1987年2月，美國休斯頓大學的朱經武、吳茂昆研究組和中國科學院物理研究所的趙忠賢研究團隊分別獨立發現在YBa2Cu3O6+體系存在90 K以上的Tc，超導研究首次成功突破了液氮溫區（液氮的沸點為77 K），使得超導的大規模研究和應用成為可能。

室溫超導

2000年，在離子注入工作中從金剛石中提取電子時，約翰·普林斯（Johan Prins）觀察到，在氣壓為10-6毫巴時，摻氧IIa型金剛石表面形成的相中出現了室溫超導現象。實現這種情況的唯一方法是讓間隙內提取的電子形成超導相。因為電子是費米子，所以它們最近鄰的距離和速度有增無減，最終會迫使它們違反海森伯格不確定性關系。在這個極限下，它們成對地被限制在體積或“軌道”內，而這些體積或“軌道”又填充了金剛石和陽極之間的整個空間。因為這些“軌道”的自旋為零，所以它們是類似玻色子的電荷載流子，并且由于它們在物理上盡可能接近，它們會自動構成薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛因斯坦凝聚體；即它們構成超導相。

2014年，《自然》雜志上發表的一篇文章提出，一些材料，例如YBCO（氧化釔銅），可以使用紅外激光脈沖在室溫下短暫超導。

室溫超導之路可以追溯到20世紀60年代的一個預言，即氫原子團如果被充分壓縮，可能會轉變成一種在高溫下超導的金屬。雖然氫金屬化的壓力非常大，但超導探索者試圖在較低的壓力下使用被稱為氫化物（hydrides）的富氫化合物，尋求類似的效應。第一批氫化物超導體的成果終于在2015年出現，引發了一場“氫化物熱潮”，并連續打破超導高轉變溫度的記錄。這是由于過去15年理論進步的推動，有了適用于超導體新的密度泛函理論和越來越強大的晶體結構預測方法，理論學家們通過計算指導實驗。理論上，科學家們還預言了更加復雜的高壓三元氫化物具有超導電性。此外，科學家們還提出了兩個新的研究方向。第一個研究方向涉及在氫化物中添加第三元素，這增加了可能的結構數量，因此也增加了優化化學壓力的選擇。第二個研究方向是，用其他輕原子取代氫。

2019年，室溫超導更進一步發展，此時，美國科學家馬杜里·索馬亞祖魯（Maddury Somayazulu）的研究組宣布，十氫化鑭（LaH10）在190萬個大氣壓下，可以在逼近室溫的260K以上出現超導性，這是曾經超導臨界溫度的最高紀錄。

潛在應用

電力應用

超導電纜、超導限流器、超導儲能裝置和超導電機等。采用無阻的、能傳輸高電流密度的超導材料作為導電體并能傳輸大電流的一種電力設施，具有截流大師能力大、損耗低、體積小和重量輕等優點，是解決大容量、低損耗輸電的一個重要途徑。它由電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統四個部分組成。

生物醫學應用

超導技術在生物醫學中的應用包括超導核磁共振成像裝置（MRI）和核磁共振譜儀（NMR）。核磁共振成像的原理是基于被測對象的原子磁場與外磁場的共振現象來分析被測對象的內部狀態。目前，核磁共振成像裝置已廣泛用于醫學診斷中，例如用于早期腫瘤和心血管疾病等的診斷，它能準確檢查發病部位，無損傷和輻射作用，并且診斷面非常廣。

交通應用

超導線圈可以承載很大的電流，形成強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時，由于完全抗磁性，超導體內部會產生一個相反的磁場，使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向，可以使列車保持向前運動。

電子學應用

超導量子干涉器（Squid）、超導混頻器、超導數字電路、超導粒子探測器等。其中SQUID磁強計能夠測量非常微弱的磁場，其分辨率能夠達到10-11高斯左右，可以用來測量人體的微弱磁場，描繪出心磁力和腦磁圖。超導粒子探測器具有很高的靈敏度和納秒級的速度，可以用來檢測從亞毫米波段到遠紅外波段的電磁信號。

研究進展

室溫超導的實現，有三條路線可以嘗試：1、合成新的材料；2、改進現有材料；3、特殊條件調控材料。合成新的材料是最困難的，因為沒有可靠的經驗，自行探索。改進現有材料，比如改進現有的銅氧化物高溫超導材料的質量，對其進行化學摻雜等改造，以期獲得更高臨界溫度的超導體。特殊條件調控，指的是利用高溫、高壓、磁場、光場、電場等方式調控材料的狀態，在更高溫度下形成超導態。

逐步接近

2004年，在環境溫度逐漸上升甚至超過水的沸點時，碳納米管有可能進行幾乎無阻力的電流傳導。他們認為，這種微型管將是室溫下具有超導性的第一種超導，雖然這種超導過程還不是完全無阻力傳導，但已接近迄今所能達到的最佳超導效果。

2021年，5月27日俄羅斯量子中心科研人員首次在室溫下獲得了磁性超導材料。有關專家認為，借助該技術未來可創建不需要復雜和昂貴冷卻裝置的量子計算機。相關研究發表在《科學報告》雜志上。

爭議事件

2020年，Snider等人在267 GPa觀察到氫、碳和硫化合物的超導轉變溫度高達288 K，已經達到室溫，這在當時被視為邁向室溫超導體的里程碑。但遺憾的是，它的化學成分和晶體結構至今仍然不確定，該實驗目前也面臨著諸多質疑，該文章最近已被《自然》雜志宣布撤稿。

2023年7月22日，韓國量子能源研究中心（Q-centre）、高麗大學等團隊的研究人員提交論文，宣布成功合成了世界上第一個室溫常壓超導體，即在常壓條件下，一種改性的鉛-磷灰石（命名為LK-99）能夠在127℃（Tc≥400k）以下表現為超導體。但讓本次研究產生爭議的是，本次研究實際上關聯到兩篇論文。從時間線上來看，第一篇提交于7月22日7時51分，第二篇則于7月22日10時11分提交，兩篇提交時間相差不足2.5小時的論文均發表在預印本系統arXiv，尚未經同行評議。兩篇文章作者人數不同，但有兩位重合。就論文本身內容來看，第二篇更為詳盡。其中上述第二篇論文的作者之一、美國威廉與瑪麗學院的物理學教授Hyun-Tak Kim在接受采訪時則直接表示，第一篇論文里存在“許多缺陷”，并且未經他的允許就被上傳了。

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