西湖大学吴颉：常温常压超导是物理学百年梦想

　　前不久，由英国导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）执导的电影《奥本海默》甫一上映，便在全球范围内引发广泛关注和热议。该片的主要故事情节和看点，是美国“原子弹之父”罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）率领一众美国科学家，在第二次世界大战期间研制原子弹的经过。

　　原子弹的发明，既是人类进入核能时代的标志，也是科学技术不断发展进步的重要一环。事实上，只要我们对人类科技史做一个整体回顾，便可以毫不费力地发现，未来的重要技术一定与今天的前沿科学研究密不可分。而在当下，超导则是科学界重点关注的领域。

　　在西湖大学，有一位致力于超导研究的老师，他便是吴颉。目前，其担任西湖大学理学院特聘研究员、西湖大学量子材料生长和表征实验室负责人。

　　图丨吴颉（来源：资料图）

　　百年超导史：峰回路转

　　据介绍，在 2004 年获得复旦大学理学硕士学位之后，吴颉选择赴美留学，并于 2010 年获得美国加州大学伯克利分校凝聚态物理博士学位。博士毕业后，他先在美国强磁场国家实验室从事博士后研究，后供职于美国布鲁克海文国家实验室，从助理研究员一路晋升为正研究员。

　　后来，他选择回国发展，加入西湖大学理学院。日前，他以《超导新世界》为题，发表了一场演讲。

　　牛顿和苹果的故事，相信很多人在启蒙阶段就已经非常熟悉。正是在这个契机下，经典力学和热力学得以确立。后来，第一次科技革命发生，人类进入“蒸汽时代”。100 多年后，在电磁学被确立的基础上，人类进入“电气时代”，电灯和电话逐渐进入千家万户。

　　20 世纪初，爱因斯坦创立相对论，随后促进了原子能技术的发展，电影《奥本海默》中讲述的故事，就涉及到这一时期的历史。此外，量子力学的突破，则是 20 世纪另外一个重要科学进展，其推动 1958 年大规模集成电路的出现，将人类带入信息时代。

　　吴颉表示：“从历史的角度可以看到，基础科学是技术进步的源头，它同时也推进了时代的演进。而且，科学技术的发展进步也是一直在加速的。这也让我们发现，未来的技术一定来自于今天的前沿科学研究，而这正体现出基础科学的基础性。”

　　如今，量子多体效应，是基础科学的研究前沿。其主要研究电子的集体行为，包含非常丰富的量子多体效应。超导，就是量子多体效应的一种。

　　1911 年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）率先发现超导现象。也就是说，当汞的温度被降低至 4.2K 时，其电阻会突然消失，进而产生零电阻效应。

　　后来，随着该领域研究的不断深入，科学家们又先后发现超导体的迈斯纳效应和磁悬浮效应，前者是指超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象，后者则是利用超导态对于磁力线的钉扎作用，让上方的磁体能够在空中悬浮。

　　“关于超导的理解，经过这么多年的研究，科学家发现里面最核心本质的是一个电子配对的图像。”吴颉表示。形象通俗地来说，假设材料中有很多电子，为了使其达到超导的状态，必须满足以下两个方面。

　　首先，电子必须两两配对，一般是自旋向上的电子和自旋向下的电子进行配对。其次，所有的电子对都要遵从统一指挥。在这种情况下，材料才能克服运动时遇到的阻力，产生零电阻和抗磁效应。

　　经过 100 多年的研究，科学家们对超导的了解一直在不断深入，并发现了与此相关的一系列丰富行为，也因此在此领域先后颁发了八个诺贝尔物理学奖。

　　但是新的发现和惊喜也一再推翻旧有的观念，向我们揭示超导的领域远比所有人想的更为广袤，我们对超导的理解仍然未达本质。

　　比如，刚开始科学家们发现超导大部分存在于一些金属中，后来逐渐发现一些合金和有机物也可以实现超导，铜氧化物中出现的高温超导则达到了液氮温区，突破旧有 BCS 理论所设定的理论上限，时至今日，越来越多意想不到的材料都可以实现超导。

　　“经过这一百多年，科学家们当初在金属超导体上总结出的经验规律和理论，纷纷被新的发现所推翻，问题似乎又回到了当初的起点，这在物理学史上也几乎是非常独特的。”吴颉说。

　　一个材料只有在某一临界温度下才能表现出超导特性，而在此温度之上的材料与一般物体无异。从这个角度来讲，材料的超导临界温度，应该是超导领域中最为科学家所关注的指标。

　　因而，如今该领域科研人员的研究目标聚焦于两个方面，其一是找到能够解释非常规超导体的机理，其二是发现新的高温超导材料。

　　“这两件事情相辅相成，一旦你知道了机理，就能够指引你找到新的材料；一旦找到新的材料，对于机理就有非常大的揭示作用。”吴颉说。

　　推动超导在更多领域实现广泛和规模化应用

　　那么，多年来，科学家又为何要孜孜不倦地对超导进行探索呢？超导体既可以作为能源材料，又可以作为信息材料，由此显而易见，人类希望能够通过不断的研究突破，推动超导在电力、医疗、交通、量子计算等更多领域实现广泛和规模化应用。

　　具体来说，首先，基于超导的零电阻特性，可以用于远距离电能传输。当下，利用清洁能源发电代替传统能源发电，能够减少能源消耗和碳排放。

　　但清洁能源丰富的地区和用电量较大的地区之间，往往存在着很远的距离。在远距离电能传输的过程中，电力会遭到大量损耗。如果能将传输电力的媒介换成超导体，就能在实现电力零损耗的同时，降低输电电压从而提升安全性。

　　其次，地球的磁场强度约 0.5 高斯，而一个超导磁铁就能产生 32 万高斯的磁场强度。借助超导体具有的强磁场特性，可以在医疗领域获得应用，比如核磁共振成像，提高医学诊断的成像速度和精确度。

　　同时，还能用超导磁铁产生的强磁场，约束托卡马克装置中的高能粒子，从而实现可控热核聚变，来获得源源不断的清洁能源。

　　再次，超导体所具备的磁悬浮效应，能够用于建设超导磁悬浮高铁，从而提升交通的速度。比如，从杭州到北京的高铁时速峰值约为 360 公里/小时，但由日本研发的超导体磁悬浮列车，在 2015 年时已经实现 600 公里/小时的时速。

　　此外，基于超导的约瑟夫森效应，还能推动量子计算的发展，并助力量子计算机的研发。

　　“我所从事的超导研究，它的土壤和根基就是量子多体效应和演生现象，各种应用就是其结出的果子。这些应用有的已经在用了，但有的还处于不断成熟的过程中，需要我们找到更多的超导材料，更好的性质，使得这些新的应用成为可能。”吴颉表示。

　　吴颉的发言，来自于 10 月 22 日举办的首届光子未来论坛。这是一场适逢西湖大学创办五周年之际所举办活动上的演讲。

　　在本次论坛上，除了吴颉，西湖大学工学院特聘研究员、西湖大学生物制造和新材料实验室负责人张科春，进行了《合成生物与可持续未来》的主题分享；西湖大学工学院特聘研究员、先进光电子材料与器件实验室负责人柳佃义，进行了《打开窗户看未来: 透明光伏技术的革命性发展》的主题分享；西湖大学生命科学学院特聘研究员、蛋白质组大数据实验室负责人郭天南，则以《AI 赋能蛋白质组学: 疾病诊治新范式》为题进行了分享。

　　图 | 西湖大学云谷校区（来源：西湖大学）

　　据悉，本次论坛由西湖大学未来产业研究中心、西湖教育基金会、西湖大学科技合作部联合举办。

　　另据了解，2022 年 1 月经国家批准，西湖大学未来产业研究中心正式成立，中心重点聚焦生命原理及未来医药、分子制造与功能、未来材料设计及创造三大领域，集科学研究、成果转化、产业培育、人才培养、战略规划于一体，探索如何以基础研究和前沿技术突破催生未来产业。

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