坦白说，我们一点也不期待室温超导磁共振。相较之下，我们更期待无(低)液氦超导磁共振，这才是目之所及的未来。

　　“为什么”系列第35篇，讨论今年以来比较火的话题：室温超导，以及我们更为关心的室温超导磁共振。

　　似乎，2023年成为了“室温超导年”，先有美国团队宣称其合成的三元镥-氮-氢体系材料，在1万个大气压下实现了室温超导(临界温度21 ℃)；后又韩国团队宣称其合成的LK-99材料，能在常压下实现实现了室温超导(临界温度127 ℃)。 室温超导一直是科学家们的梦想，若能成功实现，或将极大地拓展超导技术的应用领域，并引发“第四次工业革命”，人类真的能摘下室温超导这一物理学“圣杯”吗？

　　我们没有能力辨别其真假，目前来看“子弹还要再飞一会”；不过，讨论室温超导磁共振或许是一件很有趣的事儿，于是又来一本正经的胡说八道。

　　1913年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯，因其“对低温下物质特性的研究，特别是导致了液氦的产生”获得了诺贝尔物理学奖。不过，“零度先生”昂内斯更为后人熟知的贡献便是其意外发现的超导现象。

　　他发现，当温度降至4.2K(-268.98℃)时，汞的电阻突然消失，这是人类首次发现超导现象；他发现，低温汞材料的电阻率是铜的100亿分之一，这意味着如果在这种材料上通1A的电流，需要1000亿年才能消耗殆尽，这就是超导的完全导电性；他还发现锡、铅等许多金属与合金都具有与类似的低温超导特性，而常压下超导临界温度最高端的是铌(9.2K)，这便是超导磁共振的重要原材料。

　　1957年，美国物理学家约翰·巴丁(Bardeen)、里昂·库伯(Cooper)和约翰·施里弗(Schrieffer)提出了著名的BCS 理论，从理论角度解释了超导现象，标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。 1968年，美国物理学家威廉·麦克米兰，根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式，在理论上预言了超导体临界温度的上限是40K，即麦克米兰极限。

　　幸好，这非常令人沮丧预言在1986年被打破，彼时IBM两位科学家柏诺兹和缪勒发现La-Ba-Cu-O化合物(即铜氧化物)的超导临界温度达到35K(约为零下240℃)，他们于次年获得诺贝尔物理学奖，成为诺奖历史上从做出发现到授奖最短的时间记录之一。

　　铜氧化物超导体的出现标志着高温超导的诞生，引发了世界范围高温超导研究的热潮，休斯顿大学华裔科学家朱经武和吴茂昆获得了临界温度为98K的超导体；中科院物理所赵忠贤及其团队获得了临界温度为100K的超导体，从此超导体临界温度进入液氮温区(77K)。在不到两年时间里，研究者通过元素替代将这类铜氧化物的超导临界温度提升到135K，这也是目前常压下的超导临界温度的最高记录。

　　是麦克米兰错了吗？不是，是新发现的铜氧化物超导体已超出BCS理论适用范围。迄今，高温超导机理依然是未解之谜，解决高温超导机理也被Science杂志列为是人类面临的125个重要科学问题之一。

　　随后的几十年，超导材料研究走向了高压时代，靠着“蛮力和运气”，超导临界温度一直在提高，甚至达到室温，与此同时实现超导的压力也非常恐怖，达到上百万倍大气压，距离实用性依然有很远的距离。

　　不过，常压室温超导才是我们追求的，这也就是为什么室温超导的新闻如此让人激动。今天能否实现常压室温超导，我们不得而知；但在我们解开高温超导之迷以后，或许未来可期。

　　荷兰理论物理学家保罗·埃伦费斯特说过，超导环路里是“永不消逝的电流”。因此，有电的地方，就有超导的用武之地。

　　自1911年发现超导现象以来的100多年，超导技术发挥越来越重要作用。在低温超导领域，1960年代发现的NbTi低温超导材料和1980年代诞生的超导磁共振成为标志性事件，随后另一种低温超导Nb3Sn也应用于对撞机等科学装置。

　　直到今天，低温超导材料在批量化加工技术、成本、使用稳定性方面的优势仍无可替代。

　　在高温超导领域，2000年YBCO第二代高温超导带材问世之后，高温超导得到了实质性发展，一方面成本下降和良率提升都呈现明显加速，另一方面在超导线缆、可控核聚变、高温超导感应加热设备等领域展开了规模化商业应用。

　　或许你会问，为什么超导磁共振依然不能使用高温超导材料，这样我们就再也不用担心液氦短缺问题了。这是很好的问题，因为与低温超导设备相比，高温超导设备的优势很明显，如可以工作在更高的温区(77K)，能产生更高的稳定磁场强度、有更高的热惯性、能应用在更复杂恶劣的环境。

　　首先，成本问题。尽管高温超导产业链越来越成熟，成本越来越低，但依然是NbTi的10倍以上。 以1.5T磁共振为例，其超导磁体成本已降低至50万元左右，但如果更换为高温超导材料，仅超导磁体成本将高达500万元，不要说3T，恐怕连5T、7T都无法忍受。面对如此高昂的成本，液氮再便宜又如何？ 其次，技术问题。目前高温超导并不适合应用于磁共振领域，尚有大量技术问题需要克服，在此我们就不展开。退一万步，即便解决了技术问题，如果成本仍然很高，也依然很难应用在磁共振领域。 或许你又会问，既然室温超导有可能实现，那我们能否跳过高温超导，直接实现室温超导磁共振？

　　这也是个很好的问题，众所周知超导具有3个临界值，即临界温度 Tc、临界电流Ic 和临界磁场Hc，三者之间相互制约并形成临界值曲面，只有当温度、电流和磁场在临界值曲面上或内部时，才会进入超导态。 以超导磁共振NbTi为例，其在4.2 K时的临界磁场为12T，一旦临界温度升高，其临界磁场必然降低，温度越高临界磁场。因此，我们很容易理解，室温超导磁体的临界磁场必然很低，一旦低于1.5T(几乎是必然的)，室温超导磁共振对我们则基本没有意义，毕竟高场磁共振才是我们想要的。

　　退一万步，即便临界温度和临界磁场均能满足超导磁共振需求，那么其临界电流密度必然很低，一旦低于100A/mm^2，也做不了超导磁体。

　　再退一万步，即便室温超导真的实现了，其应用到超导磁共振这种特殊领域，也需要相当相当长的时间，不仅我们这一代人很难看到室温超导磁共振，下一代也不一定能看到。

　　或许，我们还会好奇，室温超导磁共振万一实现了呢，又会给我们带来什么好处呢？

　　有的说会更便宜、有的说会便携、有的说会加快成像速度、有的说会带来新技术，事实真的会如此吗?

　　从系统角度，超导磁共振由主计算机、谱仪、磁体、射频线圈、梯度线圈和功率放大器等部件组成，其中磁体负责为磁共振提供主磁场，也是整个磁共振最贵的部分。

　　因此，即便实现了室温超导磁共振，超导磁共振也不会有大的变化，显然不会带来新技术，也不会加快成像速度；常温超材料也大概率比低温超导材料贵，显然也不会使磁共振更便宜。 万一实现了室温超导磁共振，其最大的改变或许只是主磁体和外设系统，因为不需要超低温和隔热层，超导磁体会相对更小、更轻，但也只是相对，毕竟磁体的温孔孔径仍要至少保持900mm；因为不再需要4K冷头，也就不需要液氦冷却和大型冷水机，但仍需要小型冷水机以保持磁体和梯度温度即可，超导磁共振会相对更安全和更便携。

　　除此之外，看不到其他。或许室温超导对电网、高铁、量子计算机等领域有巨大价值，但是对超导磁共振领域影响不大。

　　坦白说，我们一点也不期待室温超导磁共振。相较之下，我们更期待无(低)液氦超导磁共振，这才是目之所及的未来。。。

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