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室溫超導、量子材料……這些都是經常出現在熱搜上的名詞，到底相關研究發展到了哪一步？哪些方向可能會產生重要突破？這是一篇專訪文章，受訪人是從事超導和關聯電子體系研究的中國科學院院士陳仙輝。本文來自科學大院授權轉載，希望對您有所啟發。
全文共3223字
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Q1
從去年以來，室溫超導特別受到大眾和產業的關注，您怎麼看待這種關注呢？未來室溫超導有可能實現嗎？
陳仙輝：為什麼室溫超導體受到了社會各界的廣泛關注，就是因為它可能會給人類社會帶來巨大的改變。如果超導在室溫下就能實現，也就是說它的臨界溫度不再是應用的主要限制，那可以想象，它在成本方面、應用場景方面都將得到大大的解放。
去年有兩個報道。一個是美國羅徹斯特大學的迪亞斯，他報道在某一種富氫材料裡面，一個吉帕下就可以實現室溫超導。當然後來證明這個結果是有問題的，他發表在Nature的這篇文章3個月以後就被撤稿了。另外一個是韓國科學家報道LK-99材料體系裡面實現了室溫以上的超導。後來證明是其中含有一種叫硫化亞銅的材料，它在室溫之上有一個相變，而在這個相變過程中，伴隨著電阻有幾個量級的下降，也有相應的磁性變化。所以這應該也是有問題的。
那麼，室溫超導體到底什麼時候能實現？實際上，全球超導領域的科學家一直在探索。科學的發現有它的偶然性，也有它的必然性，到目前為止我們也沒法預料。但是從科學的角度來講，沒有任何一個理論和任何一種說法說室溫超導體不可能實現。既然這樣，我們必須根植在這個領域裡面踏踏實實地工作、積累。
目前超導領域中，中國科學家做的還是不錯的，有些部分也是領先的，是值得期待的。像鎳基超導，我們中國科學家報道了在高壓下液氮溫度之上的超導現象。所以高溫超導除了原來的銅基、鐵基，又加上現在的鎳基。當然鎳基高溫超導還有一個問題，就是要在一定的壓力下面才能實現，而銅基跟鐵基是在常壓下。
Q2
那同屬於高溫超導，銅基和鐵基超導體分別有哪些優勢呢？
陳仙輝：超導的應用有三個物理指標。一般的科學愛好者會問：“你們超導現在臨界溫度多高了？”就是指發生超導轉變的溫度。實際上還有兩個重要的指標，一個是臨界電流密度。什麼意思？就是超導體處在超導態的時候，通電流不是沒有能耗嘛。但實際上如果通的電流超過一定數值後，是可以把超導態破壞的，就變成正常金屬了。那麼這樣一個電流的值就對應了超導體的臨界電流密度。超導還有一個指標是臨界磁場，同樣的，一個超導體放在磁場裡面，達到一定磁場的時候，超導態就給破壞了。所以超導的應用必須在臨界溫度以下，必須在臨界電流以下，必須在臨界磁場以下。我們當然希望臨界溫度越高越好，希望臨界電流密度越高越好，希望臨界磁場越高越好。
到目前為止，在常壓下，銅氧化物具有最高的超導轉變溫度，在135K左右。135K是什麼意思？K是開爾文溫度，0℃等於273.15K。所以135K是零下將近140℃，用77K的液氮就可以冷卻。而鐵基超導體雖然超導轉變溫度比銅基要低一些，但它的臨界電流密度非常高。尤其是在非常強的磁場裡它還有很大的臨界電流密度。這是有廣泛應用場景的，因為超導的很多應用都是在強磁場下。
Q3
現在石墨烯也是大家經常聽到的一個詞，它是一種怎樣的材料？
陳仙輝：石墨我們都知道，我們小時候乾電池裡面那個黑的碳棒就是石墨。石墨的結構是二維的，在層間是範德瓦爾斯力，所以很容易解離。後來科學家就解離出了單層的石墨，就是現在講的石墨烯。
石墨烯是一種量子材料，具有拓撲物理，存在狄拉克型的線型色散能帶，有些特性表現非常奇特。例如它的導電性居然比金屬裡最好的銀更好，這是由於它特殊的量子效應所帶來的。它還有最高的導熱性，所以一個廣泛的應用是作為傳熱和散熱的材料。這在電子產品的應用裡尤其關鍵，包括我們手機、計算機都需要散熱。另外所有電子產品探測訊號時，熱量一高探測效率馬上就下降。所以從這個角度來講，它的用途非常大。
Q4
您還在研發一種新材料叫做黑磷？它相比石墨烯有什麼特色？
陳仙輝：石墨烯作為一種量子材料非常熱，不過我們還希望能找到一種取代矽來做邏輯運算的資訊支撐材料。但是非常遺憾，石墨烯是線性色散、無能隙的材料，所以它不屬於半導體，無法做邏輯運算器件。
當時我就在思考，有一種材料叫黑磷，人類發現它也已經有100多年了，但大家一直沒關注這個材料。在發現石墨烯以後，我就意識到黑磷是可能作為半導體材料的，因為黑磷是有帶隙的，帶隙是0.3個電子伏特。與之相比矽的帶隙是1.12個電子伏特。所以我們組首先合成了作為量子材料的黑磷，後來跟復旦大學的張遠波老師合作，在2014年發表了第一篇黑磷可以作為半導體材料應用的文章。到現在這篇文章的引用已經接近7600次了，在科學界算是非常高的，也說明這個材料受到了全世界科學家的關注。
後來發現，黑磷還有很多優越的特性，比如說矽的電子遷移率是500到1000cm2/(V·s)，黑磷的遷移率高達10000cm2/(V·s)以上。而電子遷移率高，就可以提升計算速度。當然它也有很多的問題，例如矽作為半導體加工需要很大的晶圓片，比如大家通常聽到的12英寸晶圓片。那麼現在世界範圍內有不少科學家在花很大的精力生長黑磷，看能不能實現大面積生長，然後才有可能應用到半導體器件上。所以現在黑磷正被全世界的科學家研究，我對它也寄予希望。
Q5
量子物質前沿領域的特點是和實際應用需求密切相關，能否舉下具體的例子？
陳仙輝：像我剛才講到的超導，是人類觀察到的第一個宏觀量子效應，在1911年就被發現了。大家知道，量子力學是在20世紀三四十年代才完善的。也就是說在量子力學完全建立之前，已經發現了量子力學原理下的宏觀量子效應，也就是超導態。超導體處於超導態時通以電流沒有損耗，這種量子宏觀效應已較為廣泛地應用於我們的生活、醫療和科研中。醫院裡的磁共振成像，支撐它的磁體就是超導體。只要讓超導體冷卻到超導態，由於沒有損耗，通以電流就可以持續產生強的磁場。現在我們磁共振成像需要3特斯拉（T）左右的磁場，可以想象，如用銅線來繞線圈通電流產生這麼大磁場的話，就需要一個很大的供電系統。而因為銅線有電阻，要損耗能量發熱，所以還需要一個龐大的冷卻系統。但現在醫院的磁共振裝置就不需要這些，這是超導的一個典型應用場景。
實際上超導的應用範圍還有很多。像現在到大學、研究所裡面去，能看到有大量基於強磁場的研究，這些磁體基本上都是用超導材料實現的。包括一些大科學裝置比如歐洲核子中心的大型強子對撞機，是現在世界上最大的加速器，它裡面控制和加速電子都是透過超導體實現的。還有可控核聚變的託卡馬克裝置，比如合肥等離子體所裡的，就是用磁場來約束等離子體，這也需要用到超導體。
除了零電阻之外，超導的另一個特性是完全抗磁性，它的內部是沒有磁力線穿透的，而其他所有的物質都能被磁場穿透。超導還有兩個對應用非常重要的性質。在弱電應用方面是約瑟夫森效應，它是一種超導電子的隧道效應，對磁場的敏感度非常高，可以測量到一個磁通量子，相當於地磁場幾億分之一的磁性，所以可以做很多微弱訊號的探測。約瑟夫森效應在資訊科技裡面也有重要應用，包括現在做的超導量子計算，是實現量子計算重要的方案，我們國家在這方面取得了很大的進展。第二個方面是強電應用的磁通量子化，可以透過磁通釘扎來實現磁懸浮，製造磁懸浮列車。
現在推動我們人類社會發展的主要是資訊科技、能源技術和生物醫藥技術。超導體作為一種量子材料，它可以同時支撐資訊科技和能源技術，這就可想而知，為什麼超導這麼被大家關注、被大家期待。
Q6
未來15年是量子物質有望實現多點突破的關鍵時期。那您預見在量子物質研究中哪些方向可能會產生重要突破呢？
陳仙輝：目前，超導還有很多潛在的應用，比如超導磁懸浮列車、超導輸電，這在物理上是沒有任何問題的。但它牽涉到材料體系的問題，牽涉到執行成本的問題。一項技術的應用和成熟，往往需要其他配套技術的支撐。假設配套技術的支撐能夠大大地降低成本，我想這個應用就可以推廣到很多方面，同時產生巨大的經濟效益和社會效益。實際上，我們國家在上海，在深圳，已經嘗試了千米級的超導輸電。如果再出現一些技術突破，在未來15年裡更大規模的應用是可能的。
中國科協在2023年釋出的重大前沿科學問題裡提出的第一個問題就是如何實現低能耗人工智慧，這是人類當下迫切需要解決的重大問題。像量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、量子反常霍爾效應還有超導，這些都是無損耗的物理效應。如果在未來15年裡，這些量子材料能在電子器件尤其是邏輯運算器件方面有所突破的話，就可以大大地降低人工智慧的能耗問題。
這條路要走多遠才能達到，我們還並不清楚。我想在未來15年裡面，還會出現很多新的突破以及相關的應用，可以說這是一個充滿希望的領域。
本文轉載自科學大院，觀點不代表IDG資本立場。
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