陈仙辉院士：室温超导体到底什么时候能实现？目前为止我们也没法预料

学术 2024-12-15 08:00 上海

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室温超导、量子材料……这些都是经常出现在热搜上的名词，到底相关研究发展到了哪一步？哪些方向可能会产生重要突破？我们专访了从事超导和关联电子体系研究的中国科学院院士陈仙辉。

撰文 | 陈仙辉（中国科学院院士）

Q1：从去年以来，室温超导特别受到大众和产业的关注，您怎么看待这种关注呢？未来室温超导有可能实现吗？

陈仙辉：为什么室温超导体受到了社会各界的广泛关注，就是因为它可能会给人类社会带来巨大的改变。如果超导在室温下就能实现，也就是说它的临界温度不再是应用的主要限制，那可以想象，它在成本方面、应用场景方面都将得到大大的解放。

去年有两个报道。一个是美国罗彻斯特大学的迪亚斯，他报道在某一种富氢材料里面，一个吉帕下就可以实现室温超导。当然后来证明这个结果是有问题的，他发表在Nature的这篇文章3个月以后就被撤稿了。另外一个是韩国科学家报道LK-99材料体系里面实现了室温以上的超导。后来证明是其中含有一种叫硫化亚铜的材料，它在室温之上有一个相变，而在这个相变过程中，伴随着电阻有几个量级的下降，也有相应的磁性变化。所以这应该也是有问题的。

图片来源：veer图库

那么，室温超导体到底什么时候能实现？实际上，全球超导领域的科学家一直在探索。科学的发现有它的偶然性，也有它的必然性，到目前为止我们也没法预料。但是从科学的角度来讲，没有任何一个理论和任何一种说法说室温超导体不可能实现。既然这样，我们必须根植在这个领域里面踏踏实实地工作、积累。

目前超导领域中，中国科学家做的还是不错的，有些部分也是领先的，是值得期待的。像镍基超导，我们中国科学家报道了在高压下液氮温度之上的超导现象。所以高温超导除了原来的铜基、铁基，又加上现在的镍基。当然镍基高温超导还有一个问题，就是要在一定的压力下面才能实现，而铜基跟铁基是在常压下。

Q2：那同属于高温超导，铜基和铁基超导体分别有哪些优势呢？

陈仙辉：超导的应用有三个物理指标。一般的科学爱好者会问：“你们超导现在临界温度多高了？”就是指发生超导转变的温度。实际上还有两个重要的指标，一个是临界电流密度。什么意思？就是超导体处在超导态的时候，通电流不是没有能耗嘛。但实际上如果通的电流超过一定数值后，是可以把超导态破坏的，就变成正常金属了。那么这样一个电流的值就对应了超导体的临界电流密度。超导还有一个指标是临界磁场，同样的，一个超导体放在磁场里面，达到一定磁场的时候，超导态就给破坏了。所以超导的应用必须在临界温度以下，必须在临界电流以下，必须在临界磁场以下。我们当然希望临界温度越高越好，希望临界电流密度越高越好，希望临界磁场越高越好。

到目前为止，在常压下，铜氧化物具有最高的超导转变温度，在135K左右。135K是什么意思？K是开尔文温度，0℃等于273.15K。所以135K是零下将近140℃，用77K的液氮就可以冷却。而铁基超导体虽然超导转变温度比铜基要低一些，但它的临界电流密度非常高。尤其是在非常强的磁场里它还有很大的临界电流密度。这是有广泛应用场景的，因为超导的很多应用都是在强磁场下。

Q3：现在石墨烯也是大家经常听到的一个词，它是一种怎样的材料？

陈仙辉：石墨我们都知道，我们小时候干电池里面那个黑的碳棒就是石墨。石墨的结构是二维的，在层间是范德瓦尔斯力，所以很容易解离。后来科学家就解离出了单层的石墨，就是现在讲的石墨烯。

石墨烯是一种量子材料，具有拓扑物理，存在狄拉克型的线型色散能带，有些特性表现非常奇特。例如它的导电性居然比金属里最好的银更好，这是由于它特殊的量子效应所带来的。它还有最高的导热性，所以一个广泛的应用是作为传热和散热的材料。这在电子产品的应用里尤其关键，包括我们手机、计算机都需要散热。另外所有电子产品探测信号时，热量一高探测效率马上就下降。所以从这个角度来讲，它的用途非常大。

Q4：您还在研发一种新材料叫做黑磷？它相比石墨烯有什么特色？

陈仙辉：石墨烯作为一种量子材料非常热，不过我们还希望能找到一种取代硅来做逻辑运算的信息支撑材料。但是非常遗憾，石墨烯是线性色散、无能隙的材料，所以它不属于半导体，无法做逻辑运算器件。

当时我就在思考，有一种材料叫黑磷，人类发现它也已经有100多年了，但大家一直没关注这个材料。在发现石墨烯以后，我就意识到黑磷是可能作为半导体材料的，因为黑磷是有带隙的，带隙是0.3个电子伏特。与之相比硅的带隙是1.12个电子伏特。所以我们组首先合成了作为量子材料的黑磷，后来跟复旦大学的张远波老师合作，在2014年发表了第一篇黑磷可以作为半导体材料应用的文章。到现在这篇文章的引用已经接近7600次了，在科学界算是非常高的，也说明这个材料受到了全世界科学家的关注。

后来发现，黑磷还有很多优越的特性，比如说硅的电子迁移率是500到1000cm²/(V·s)，黑磷的迁移率高达10000cm²/(V·s)以上。而电子迁移率高，就可以提升计算速度。当然它也有很多的问题，例如硅作为半导体加工需要很大的晶圆片，比如大家通常听到的12英寸晶圆片。那么现在世界范围内有不少科学家在花很大的精力生长黑磷，看能不能实现大面积生长，然后才有可能应用到半导体器件上。所以现在黑磷正被全世界的科学家研究，我对它也寄予希望。

Q4：在量子物质，不同的复杂性层次往往会呈现出全新的物理概念、物理定律和物理原理，这是为什么呢？

陈仙辉：这句话的英语是“More is different”，是上个世纪70年代的时候诺贝尔奖获得者P. W. 安德森说的。当时高能和粒子物理比较热门，正在大量通过加速器来撞击、发现最小的粒子，由此探索新的物理。背后的科学思想就是我们只要知道构成物质世界的最小单元，我们就可以理解整个物质世界的物理规律，这是还原论的思想。但P. W. 安德森却说并不是这样，这句话里的more就是指复杂程度。他说只要构成物质世界的粒子数越多，那它可能出现的物理就不一样，也就是指现在的复杂物理体系。

量子材料就是一个复杂体系。为什么称之为复杂？因为以前我们对材料的理解是量子力学原理建立在单电子近似的情况下，只需要考虑一个电子，不考虑它和其他电子的相互关联，在这种近似的情况下建立了固体的能带论。能带论给人类做出的最大贡献是很好地解释了金属、半导体和绝缘体，支撑了我们现在逻辑运算的晶体管。但是量子材料体系不是这样的，不能只考虑单电子，还需要考虑电子之间的关联、电子的拓扑相位等这些现象。所以在这种情况下，它的复杂程度不一样，呈现的物理也不一样。

实际上，自从20世纪80年代量子霍尔效应、分数量子霍尔效应以及高温铜氧化物超导发现以后，我们凝聚态物理学科在物理层面上并没有非常大的突破。那我觉得要突破，就是要解决高温超导体的机理问题，要建立一个量子多体理论的物理框架，类似于单电子模型的能带论，然后理解复杂物理体系或者说量子材料体系里面的物理，这样就能从根本上推动量子材料体系被人类广泛应用，从而改变我们的生活和世界。

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Q5：请您谈一谈编写《中国量子物质与应用2035发展战略》的初衷。

陈仙辉：我们大家都知道，人类社会的发展尤其是科技文明的发展，是跟物质密切相关的。像远古时期，石器起了巨大的作用；然后有青铜、钢铁。到现代，支撑当前信息社会发展的物质是硅。由于基于硅的信息技术的发展，人们甚至担忧未来会不会出现硅基生命跟我们碳基生命竞争的问题。

但是，现在这种以硅基材料作为支撑的信息技术在能耗方面已经面临一道不可逾越的鸿沟。比如目前ChatGPT每天的耗电量达到美国家庭平均用电量的1.7万倍，他们的CEO萨姆·奥特曼也说“人工智能行业正面临能源危机”。所以信息技术的发展，除了我们通常所讲的芯片制造技术这样的制造瓶颈外，还有速度瓶颈和功耗瓶颈。

因此，我们希望发展出像硅基这样能够开展高性能计算，制造瓶颈没有这么严重，速度能提升，能耗又低的支撑材料体系。那么我个人认为这种支撑下一代信息技术的材料很可能就是量子材料。因为在量子材料里面发现的宏观量子效应，如果能作为计算应用的话，它的能耗一定远远低于现在。也就是说，量子材料有可能成为在硅之后支撑人类文明发展的材料。

量子材料这个概念始于20世纪80年代两个伟大的发现：（分数）量子霍尔效应和铜氧化物高温超导。这些发现在物理上提出了两个新的概念。其中一个是拓扑：拓扑原本是个数学概念，但要解释量子霍尔效应，必须引入拓扑，也就是电子波的几何相位。原来材料中物态相变是用序参量、对称性破缺所刻画的；但是对称性破缺不能描述（分数）量子霍尔效应的物态变化，而要用拓扑序的概念，这就在传统物理研究的相变问题上有了一个新的拓展。另一个方向是在铜氧化物超导体发现以后，强关联的电子体系也成了研究的核心；这就突破了原来支撑固体物理的单电子的能带论或者是朗道-费米液体的理论框架，必须要扩展的多体物理理论才能解释这种复杂的物理体系。

在材料里观测到了拓扑和强关联等带来的丰富物理效应以后，我们就逐渐引申出了量子物质或者量子材料这个概念。从上世纪80年代到现在的30多年里面，在这种复杂物理体系里面又出现了很多物理现象。这促使我们要思考、总结这样一个复杂体系发展的现状，凝练出重大的科学问题并开展深入研究，预测其将来可能存在的应用，就是我们编这本书的原因。

Q6：您在书中提到：量子物质前沿领域的特点是和实际应用需求密切相关，能否举下具体的例子？

陈仙辉：像我刚才讲到的超导，这是人类观察到的第一个宏观量子效应，在1911年就被发现了。大家知道，量子力学是在20世纪三四十年代才完善的。也就是说在量子力学完全建立之前，已经发现了量子力学原理下的宏观量子效应，也就是超导态。超导体处于超导态时通以电流没有损耗，这种量子宏观效应已较为广泛地应用于我们的生活、医疗和科研中。医院里的磁共振成像，支撑它的磁体就是超导体。只要让超导体冷却到超导态，由于没有损耗，通以电流就可以持续产生强的磁场。现在我们磁共振成像需要3特斯拉（T）左右的磁场，可以想象，如用铜线来绕线圈通电流产生这么大磁场的话，就需要一个很大的供电系统。而因为铜线有电阻，要损耗能量发热，所以还需要一个庞大的冷却系统。但现在医院的磁共振设备就不需要这些，这是超导的一个典型应用场景。

实际上超导的应用范围还有很多。像现在到大学、研究所里面去，能看到有大量基于强磁场的研究，这些磁体基本上都是用超导材料实现的。包括一些大科学装置比如欧洲核子中心的大型强子对撞机，是现在世界上最大的加速器，它里面控制和加速电子都是通过超导体实现的。还有可控核聚变的托卡马克装置，比如合肥等离子体所里的，就是用磁场来约束等离子体，这也需要用到超导体。

除了零电阻之外，超导的另一个特性是完全抗磁性，它的内部是没有磁力线穿透的，而其他所有的物质都能被磁场穿透。超导还有两个对应用非常重要的性质。在弱电应用方面是约瑟夫森效应，它是一种超导电子的隧道效应，对磁场的敏感度非常高，可以测量到一个磁通量子，相当于地磁场几亿分之一的磁性，所以可以做很多微弱信号的探测。约瑟夫森效应在信息技术里面也有重要应用，包括现在做的超导量子计算，是实现量子计算重要的方案，我们国家在这方面取得了很大的进展。第二个方面是强电应用的磁通量子化，可以通过磁通钉扎来实现磁悬浮，制造磁悬浮列车。

现在推动我们人类社会发展的主要是信息技术、能源技术和生物医药技术。超导体作为一种量子材料，它可以同时支撑信息技术和能源技术，这就可想而知，为什么超导这么被大家关注、被大家期待。

Q7：您还提到：未来15年是量子物质有望实现多点突破的关键时期。那您预见在量子物质研究中哪些方向可能会产生重要突破呢？

陈仙辉：目前，超导还有很多潜在的应用，比如超导磁悬浮列车、超导输电，这在物理上是没有任何问题的。但它牵涉到材料体系的问题，牵涉到运行成本的问题。一项技术的应用和成熟，往往需要其他配套技术的支撑。假设配套技术的支撑能够大大地降低成本，我想这个应用就可以推广到很多方面，同时产生巨大的经济效益和社会效益。实际上，我们国家在上海，在深圳，已经尝试了千米级的超导输电。如果再出现一些技术突破，在未来15年里更大规模的应用是可能的。

中国科协在2023年发布的重大前沿科学问题里提出的第一个问题就是如何实现低能耗人工智能，这是人类当下迫切需要解决的重大问题。我刚才讲到，像量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应还有超导，这些都是无损耗的物理效应。如果在未来15年里，这些量子材料能在电子器件尤其是逻辑运算器件方面有所突破的话，就可以大大地降低人工智能的能耗问题。

这条路要走多远才能达到，我们还并不清楚。这也是我们编这本书的一个初衷，就是要总结世界上科学家们在这个领域里的工作，我们国家要如何进行布局。我想在未来15年里面，还会出现很多新的突破以及相关的应用，可以说这是一个充满希望的领域。

Q8：在编写这本书的过程中，您觉得主要的难点是什么？

陈仙辉：因为量子材料是一个新兴的前沿领域，很多科学上的概念和认识还在快速发展中。但我们要做的是一个战略报告，还是要有科学严谨性的。所以要比较全面又比较准确，还能够总结现状以及展望未来，在这些方面我们还是下了很多功夫。

我们编写组包括了国内在这个领域一线工作的一百来位中青年科学家，大家都付出了很多心血，一起来做梳理、总结和展望，这样就能更准确。尤其是我们的青年科学家们，他们在各自工作的领域里面都做得非常优秀。但是由于现在学科分的越来越细，从知识面或者说从整体出发的思考上实际上也需要锻炼。那么通过编撰这本书，他们也学到了很多东西，扩展了自己的知识面，感觉到了交叉的重要性，更重要的是也提升了他们对学科的宏观认知，学习和实践了从战略角度去思考问题的过程，这是他们一个很大的感受。当然，在编撰过程我们也花了很多精力来回沟通。但总而言之，效果还是很好的。这本书出来之后，大家的反响都不错，尤其青年学者读了这本书的都觉得受益很大。

Q9：目前我国在量子物质研究处于世界上什么位置？未来还需要如何布局？

陈仙辉：在量子材料这个领域里面，我们在有些方面是做的不错的，尤其是在实验物理方面，像超导领域，我们在国际上是处在领先地位的。因为我们这本书只是从量子材料来讲，那么在量子材料之上的一些研究，包括量子信息、量子计算、量子模拟，尤其是量子精密测量并没有在这本书里面体现。在这些方面我们国家也做的非常好，在国际上应该都在第一方阵里面。

有几个方面，一是强关联物理、多体理论包括非常规超导的理论，我觉得是领域应该大力发展的。第二个，就是基于这些量子材料中量子现象的应用和器件方面，我觉得并不一定是完全取代或者说很快取代硅的，还有很长的路需要走，但我想未来一定会走出来的。当然，还有就是相应的人才队伍和资助体系。我们国家对于基础研究的投入占整个国家科研研发的比例是偏低的，大概只有6%左右，像发达国家一般是百分之十几，我希望能进一步加大基础科学研究的投入，提高基础研究经费的比例。

Q10：对于想投身量子物质研究的青年科学家，您有什么特别的建议或者期望吗？

陈仙辉：我希望有志从事科学研究的人来关注和进入量子物质的研究。作为大学老师，也作为一名科研工作者，我觉得我们国家在人才培养方面应该注重学科交叉性人才。原因很简单，科学发展到今天，各个学科领域做的越来越细、越来越专。如果只在某一个领域钻研，而横向的知识面或者说交叉不够的话，会限制自己的发展，同时也不利于解决重大的科学问题和做出零到一的原创工作。实际上，我们现在无论是做基础科学研究、大科学工程或者应用科学的问题，都需要不同学科的复合人才合作和交叉，一起共同攻关才能解决。

比如芯片这个问题，它的原理是物理，它的支撑是材料，它的过程是微电子，那么它的应用又是复合交叉非常强的集成的领域。所以需要现在的学者尤其是年轻学生们注重这方面。也希望教育部门能够思考，在交叉型人才培养面我们还是有很大欠缺的，有很大改进和提升的空间，尤其在研究生招生和培养方面应该打破专业、学科和院系的壁垒。

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