他认为材料对于研究来说可能是变革性的——但前提是它们必须具有其他基本品质。 戴维·卡斯特尔韦奇
由英联邦聚变系统建造的世界上最强的超导磁体之一，正被用于核聚变技术的开发。鸣谢:格雷琴·埃特尔，麻省理工学院PSFC分校，2021年
LK-99——即将改变世界的紫色晶体——引起的兴奋浪潮现在已经平息，因为研究表明它不是超导体。但仍有一个问题:真正的室温超导体会是革命性的吗？ 答案是，这取决于应用，也取决于假设的材料是否还有其他重要的性质。但至少在一些科学领域，尤其是那些使用强磁场的领域，更好的超导体可能会产生巨大的影响。 LK-99不是超导体——科学侦探如何解开这个谜 超导体是一种材料，在一定温度下，开始无电阻地传输电流，因此不会产生废热。但是所有被证实的超导体都只在低温或极端压力下，或者两者皆有，才会展现出这种特性。一些科学家正在寻找在正常条件下，室温和环境压力下发生超导转变的材料。
尽管当今超导体的低温要求严重限制了它们在日常应用中的使用，但这种材料在实验室中已经无处不在，研究人员可以使用一系列技术来降低它们的温度。这是可行的，但通常会增加实验的成本和复杂性。 一个极端的例子是大型强子对撞机(LHC)，它是欧洲粒子物理实验室CERN的加速器。为了让质子在27公里的圆周内运动，LHC产生了强磁场，超导线圈的温度保持在1.9开尔文(-271.25摄氏度)。这样做需要一个包含96吨液氦的低温系统，这是世界上同类系统中最大的。“如果你不需要极端的温度，工程就会简化，”欧洲核子研究中心的磁铁研究员、核工程师卢卡·博图拉说。 因此，有理由认为，在室温或接近室温下工作的超导体将迅速革新许多科学领域，对吗？没那么快。
以量子计算机为例，这项新生技术有望解决经典计算机无法解决的某些任务。建造量子计算机的主要方法之一是在超导材料回路中存储信息。它们在昂贵的俄罗斯洋娃娃式稀释冰箱中被冷却到接近绝对零度(273.15°C)。 在基于超导体的量子计算机中，即使温度上升几分之一度，性能也会迅速下降——原因与超导性无关。超导量子计算的共同发明人Yasunobu Nakamura说，量子计算对任何类型的噪声都非常敏感，热振动是一个主要的敌人，会产生虚假的“准粒子”。“在100-150毫开尔文左右，我们已经开始看到热激发准粒子的对抗效应，”日本和光物理研究所的物理学家中村说。 在其他情况下，实验本身可能不需要极度寒冷，但超导体仍然需要保持在比转变为超导的温度低得多的温度，即Tc。超导体的物理性质各不相同，在许多应用中，尤其是对强磁场磁铁而言，另外两种性质至关重要。这些被称为临界电流和临界磁场。超导性不仅在温度升高时会丧失，而且在材料被推着携带超过一定量的电流或暴露在足够强的磁场中时也会丧失。
麻省理工学院低温系统中的高转变温度超导体。鸣谢:大卫·l·瑞安/波士顿环球报
至关重要的是，临界场和临界电流都与温度有关:温度越低，材料可以承受的电流和磁场就越高。所以，仅仅因为超导体有很高的Tc，并不意味着它可以在任何低于Tc的温度下使用。在许多应用中，超导体的性能会随着系统温度的降低而提高。 幸运的是，迄今为止发现的最好的超导体，包括一种叫做铜氧化物(或铜酸盐)的超导体，也可以承受非常高的磁场——只要保持足够冷.。
四年前，位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家高磁场实验室(NHMFL)使用一种铜酸盐获得了稳定(而不是脉冲)磁场强度的记录。NHMFL的超导线圈产生了45.5特斯拉的磁场，但前提是它们被保存在液氦中，所以低于4.2开尔文。NHMFL的首席科学家、物理学家劳拉·格林说:“我们使用高Tc超导体不是因为Tc高——我们使用它们是因为[它们的临界磁场]高。” “如果你想要一个高场磁体，你就要在尽可能低的温度下运行，因为在那里你才能获得超导的真正力量，”另一个美国国家实验室——新泽西普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的机电工程师翟玉虎说。 欧洲粒子物理研究所(CERN)正在探索未来粒子对撞机的选项，该粒子对撞机最终将粉碎能量比LHC大7倍的质子——物理学家希望他们能在这个范围内发现新的基本粒子。为了达到更高的能量，粒子必须使用更高的电场或沿着更长的加速器回路加速，或者两者兼而有之。为了建造这样一台机器，物理学家们梦想挖一条长达100公里的圆形隧道，紧挨着LHC隧道。但即使有这么大的回路，像LHC的超导磁体——8特斯拉的铌钛线圈——也无法产生所需的磁场，估计为16到18特斯拉。“在这一点上，很明显，我们必须转向其他材料，”博图拉说。
目前的高温超导体可以达到这个目标——但可能只有在它们保持在液氦温度下的情况下。中国一个类似的加速器提案，圆形正负电子对撞机，也将使用高温超导磁体。“我们考虑高温超导材料已经有一段时间了，主要是铜酸盐和铁基超导材料，”中国高能物理研究所所长王表示。
然而，铜氧化物基超导体还有其他缺点:它们是易碎的陶瓷材料，生产和加工成电缆都很昂贵。王说，它们的临界电流仍然太低。他补充说，另一类铁基超导体原则上性能更好，但成本只有氧化铜的一半。 博图拉和其他人正在研究一种全新类型的加速器的可行性。通过用μ子(类似于电子但质量大207倍的粒子)代替质子，对撞机可以研究与100公里长的质子-质子对撞机相同类型的物理，但在一个小得多的环中，甚至可能适合现有的LHC隧道。让μ子做圆周运动不会牵涉到特别强的磁场。但问题是，要产生具有适当性质的μ子束，可能需要高达40特斯拉的磁铁。 博图拉说，在这种强度下，“问题不再是超导体——而是保持线圈的位置”。电磁线圈中的电流会将磁铁推开。在40特斯拉时，即使是最坚固的钢也无法承受机械应力。取而代之的是，磁铁可能需要使用更强的材料，比如碳纤维。(NHMFL磁体的强度要求没有那么严格，它需要在只有几厘米宽的空间内产生强磁场。) 因此，在质子和μ子对撞机中，一种性能远远好于迄今为止发现的任何东西的超导体可能会产生巨大的差异，但其他工程挑战也会出现。
结构强度已经严重制约了另一类机器——那些旨在利用核聚变能量的机器。一种由来已久的聚变方法试图利用排列成环形的磁体来限制等离子体，这种磁体被称为托卡马克。等离子体被加热到几百万度，将氢的各种同位素撞在一起。世界上最大的实验性托卡马克装置，称为ITER，正在法国南部建造，将使用巨大的液氦冷却磁铁产生近12特斯拉的磁场。 翟说，但是出于多种原因，工业和公共资助的实验室都在努力设计基于高温超导体的托卡马克磁体。更高的电场可以大幅提高聚变反应堆燃烧燃料的速度，从而增加可以产生的能量——至少在原则上是这样，因为从聚变中提取能量的许多关键步骤还有待证明。增加高Tc磁性材料产量的工业努力的一个积极结果是它们的成本下降了。(然而，它们仍然比铌钛合金贵得多。) 此外，翟说，托卡马克最终应该放弃液氦冷却，这不仅仅是因为冷却系统建造起来很复杂。氦是一种稀缺资源，用它来建造数百座ITER规模的反应堆是不可行的。 格林说，寻找更好的超导材料是一项高风险的任务，因为迄今为止成功的例子很少。尽管如此，她补充道，“这是一项艰苦的工作，也是一项令人兴奋的工作，它正在改变世界。”多伊:https://doi.org/10.1038/d41586-023-02681-8
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