如果有一种材料可以实现常温常压下的超导,并且获取相当容易,那么能对世界产生什么样的影响?
其重要程度几乎可以肯定,会开启一次新的工业革命,让人类跑步进入下一个纪元。
目前已知的三次工业革命,均是在材料学上获得了重大突破的基础上,人类开启了使用一种及以上新的能源利用形式,以及新的维度。
第一次,人类学会了操控化石能源,有序地将化学能转化为了其它机械能形式,因而跑步从农业时代进入了工业时代。
第二次,人类学会了操控电磁相互作用,同时开启了电和磁两个新的维度,整个世界发生了翻天覆地的变化,人类跑步进入了现代电气化文明。
第三次,人类学会了操控半导体,打开了信息世界的大门,人类文明再次获得质的飞跃,信息时代、网络时代、数字时代、人工智能时代,一个一个向我们走来。
为什么说室温超导会比前面这三次还厉害,更具有超越性,会再次实现一个新的文明飞跃呢?因为超导是目前已知最有希望成功被大规模应用的宏观量子效应。
量子,从它被定义开始,就意味着它很小、很微观、很不可控。人类在一百多年前就已经知道,量子力学的世界和宏观世界非常不同,里面一定孕含了丰富的新奇资源可供人类使用,但人类至今也不知道该怎么用它。
一条路径,就是把我们的设备、仪器、材料都做得越来越小,以适应量子效应存在的环境。另一条路径,则是想办法在宏观世界也实现量子效应。第一条就是原子物理、量子光学,甚至量子计算机正在走的路。
另一条,则是凝聚态物理和材料物理主攻的方向。我们已经找到了不少宏观量子效应,除了超导,还有量子霍尔效应、新奇的磁性、奇异金属、量子输运等,但是因为各种原因,其它这些要想大规模应用,还不太现实。
超导,是全村最后的希望。
要想实现宏观量子效应,需要在整个宏观样品中表现出整体的波函数,这种波函数可以有很多级别,一般用对称性从低到高去讨论。最简单的是U(1)对称性,超导就是这种对称性被破缺而实现的。我们当然可以期待还可以有更多更复杂的对称性被破缺,但目前尚未有确实的证据。
自从一百多年前超导被发现至今,人类已经找到的超导体系很多,常压下最高的超导温度可以到140多K。但因为是比较脆的陶瓷片,不容易加工,加上用到了相对较贵的稀土,所以并未能大面积推广使用。在成本选择方面,制冷的成本显得要划算一些,所以工业上仍主要采用金属铌的化合物,温度10几K。
如果能到室温,而且材料便宜,加工简单,这种超导材料的大面积使用将是必然。
工业革命不可能是通过计划实现的,我们无法预言这种新材料会带来怎样耳目一新的应用场景,当年研究半导体的人显然不可能想到信息时代会变成如今这样,对吧?
但至少有几个事情显然会被颠覆。
一是磁场的大规模使用。超导的主要用途是产生大且稳定的磁场,这是其目前主要的商业用途,比如磁悬浮、核磁共振的,核心部件都是超导磁体。一旦能便宜地在室温下使用,毫无疑问,大磁场会变得非常普及。
二是无接触式的物质操控。因为超导的抗磁性会产生类似悬浮的效果,而且在磁体附近的运动是几乎没有阻力的,这会让很多过去必须要接触才能操作的场景变成无接触操作,比如可控核聚变,还有各种危险操作可远程进行。
三是无能耗超导电流的直接应用。超导异质结相当于一个理想电感,没有任何损耗地信息加码和解码,会极大地提升现有数字技术的性能和容量,这会给现有的电子设备以质的提升。
四是超导能隙的使用。超导能隙可大可小,由于精度调控非常容易且精确,可以对长波长的电磁波进行响应,这会给极远程的通信带来极大便利。很有可能我们不再需要那么多基站,一个手机的信号就能传遍半个地球。
五是将量子相干性作为新的能源形式。超导材料本身就是一种能源,它从超导相到正常相的转变过程是会伴随热容跳变的,这本身就会释放巨大的能量。过去没有人关心这部分能量,是因为温度低,那点热量很快就耗散了。但如果超导发生在室温,情况就很不一样了。
六是我们人类的知识会再次升级。毫无疑问,室温超导必然会带给我们大量新的物理探测和表征手段,让人类认识世界的方式极大丰富,我们会看到一个全新的世界,并为之构造起新的知识体系。
这些其实都是在现有知识框架下的简单推演。显然,室温超导能带给我们的远不止这些,能想到的都不是未来。
真希望“未来”能在今天到来。