高温超导这一物理学领域的热门话题，从超导的发现历程讲起，阐述了其发展过程中面临的“低温封印”难题，重点讲述了薛其坤院士团队在常压下镍氧化物高温超导研究方面的突破，还探讨了超导的应用前景以及科学家对常压室温超导体的追求。
在物理学的众多分支中，凝聚态物理是极为重要的一个领域，而其中高温超导相关的研究题目，无疑是最容易引发广泛关注的。只要世界上任何地方的科学家宣称在高温超导方面取得了突破，相关消息不仅会在科学界迅速传播，还会成为老百姓街头巷尾热议的话题。当然，这一切的前提是研究数据真实可靠。要是像2023年那位美国科学家一样，材料都没造出来，最后闹出了乌龙，那可就成了贻笑大方的笑话。
今年2月，由国家最高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的中国科学家团队，有了一个重大的宣布——他们发现了常压下镍氧化物的高温超导电性。这一研究成果登上了国际顶级学术期刊《自然》，得到了国际物理学界的一致称赞，堪称高温超导研究领域的最新重大突破。那么，中国科学家们的这一贡献究竟神奇在哪里？这次的高温超导，“高”又高在了什么地方呢？让我们先从超导的基本概念说起。
如何解除“低温封印”？
超导之所以备受关注，是因为它有着极其神奇的特性。想象一下，有这样一根神奇的电线，在日常输送电流的过程中，几乎不会发热，也不会损耗能量，甚至电流可以一直持续流动。这听起来是不是就像魔法一样？实际上，这就是超导现象的生动写照。超导最关键的一点在于，它能够毫无损耗地传递能量。
把时间回溯到一百多年前的1911年，荷兰物理学家昂内斯在实验室里有了一个意外的发现。当他把汞冷却到大约4K（“K”是热力学温度单位“开尔文”，4K相当于 -269.15℃）时，汞的电阻突然消失了。这意味着电流可以在汞中毫无阻碍地流动，就如同在光滑的冰面上滑行一样顺畅。昂内斯兴奋地将这种现象命名为“超导”，从此，人类正式开启了对超导世界的探索之旅。
然而，超导现象刚被发现的时候，就像是一处被冰封的宝藏，虽然极具吸引力，但却很难被挖掘。因为要让材料达到超导状态，必须将其冷却到极低的温度，而这通常需要依靠昂贵且稀缺的液氦来实现。液氦制冷的成本极高，这使得超导技术在后续的几十年里很难取得实质性的突破。科学家们所实现的超导温度一直在23K（ -250℃）以下徘徊，仿佛被一道无形的魔咒封印住了。
直到1986年，两位欧洲科学家有了一个意外的发现。他们发现铜氧化物在相对“高温”（ -238℃）下就能够实现超导。虽然这个温度仍然很低，但已经可以用更便宜的液氮（ -196℃）来实现制冷了。同年年底，中国科学家赵忠贤带领团队合成出了一系列铜基超导材料，其中有两个样品的超导转变温度分别达到了48.6K和46.3K，这在当时创造了世界最高纪录。
更重要的是，铜氧化物超导体的发现，为超导技术的实用化奠定了基础。仅仅10K左右的温度提升，就足以让人们对高温超导的未来恢复信心。这一发现就像是在寒冷的冰原上点燃了一把火，让超导技术打破“低温封印”，走进人们的生活有了希望。
火山口上“绣花”
经过几十年的不断探索，科学家们相对比较熟悉的高温超导材料家族已经有了三位主要成员，分别是铜基、铁基和镍基。前面已经提到，铜基和铁基材料都已经在常压下跨过了破40K的超导效果界标——“麦克米兰极限”。而薛其坤院士团队的最新研究成果，让镍基材料也追上了它的两位前辈，同样冲破了“麦克米兰极限”的封锁线。
（薛其坤团队合影）
近年来，镍基超导由于其丰富的应用潜力，已经成为了超导研究领域的“兵家必争之地”。不同的研究团队采用了不同的研究方法，在学界同仁看来，薛其坤院士团队选择的是一条充满挑战的险途。
为什么这么说呢？相较于同期发表类似结果的斯坦福团队所采用的“大力出奇迹”的脉冲激光沉积技术，中国科学家选择的是极其精巧的强氧化原子逐层外延技术。从这个技术的名称就可以看出，采用这一路径不可避免地要面对极其强烈的氧化反应，这就如同攀登一座微观世界中不断喷发的火山。而薛其坤院士团队要挑战的，不仅仅是登上这座火山的山顶，更要在火山口上进行“绣花”般精细的操作。
实际上，用“绣花”来形容这项研究的难度还远远不够，更准确地说，这是在纳米尺度上“搭原子积木”。为了获得最理想的研究材料——数纳米厚的超薄膜，团队用掉了1000多片样品，才终于摸索出一套“原子铆钉术”。在极强的氧化环境下，他们成功地固定住了原本需要极高压才能使其稳定的原子结构，进而实现了原子层逐层稳稳生长。
令人欣喜的是，无需高压，通过电磁输运实验，团队得到了超导的两大关键指标“零电阻”与“抗磁性”的理想结果。中国科学家终于将镍基高温超导材料成功展示在了世人面前。
值得骄傲的是，中国科学家的这次突破，不仅刷新了超导材料家族的图谱，更重要的是，在镍基体系中验证了高温超导的普适性。这为解决高温超导机理这一科学难题提供了全新的突破口，也就是说，这次发现蕴含着修订物理理论教科书的巨大希望。
（薛其坤与研发团队在实验室进行高温超导研究）
展望超导世界
超导体具有零电阻和完全抗磁性这两个重要特性，这使得它在电力传输、磁悬浮技术、粒子加速器、医疗成像设备以及核聚变等众多领域都有着广泛的应用前景。
尽管高温超导技术已经在逐步取得突破，但科学家们的目标远不止于此。他们一直在不懈地寻找常压室温超导体，也就是在常温常压下就能实现超导的材料。如果真的发现了这样神奇的超导体，那就意味着超导技术将彻底摆脱低温的“封印”，真正走进千家万户。
那么，超导世界会是什么样的呢？城市电网将由超导电缆织成一张庞大的“能源互联网”，彻底告别停电的困扰；磁悬浮列车将在超导轨道上飞驰，其追风逐电的速度将为旅客带来更多的便捷；脑机接口可以借助超导量子传感器解读神经信号，让意念控制成为现实的距离又更近了一步……
人类用了百年的时间，将超导温度从 -269.15℃提高了一百多度。每前进一度，都代表着人类对物质有了更深刻的理解，对能量有了更精妙的掌控。超导世界的大门，还在等待着那些有决心、有智慧的人去推开。
本文围绕高温超导展开，介绍了超导的发现、发展历程以及面临的“低温封印”难题。着重讲述了薛其坤院士团队在常压下镍氧化物高温超导研究上的突破，他们克服重重困难，采用独特技术取得理想成果，不仅刷新超导材料图谱，还为解决高温超导机理难题提供新方向。最后展望了超导的应用前景和科学家对常压室温超导体的追求，激励人们持续探索超导世界。
