似乎，2023年成為了“室溫超導年”，先有美國團隊宣稱其合成的三元镥-氮-氫體系材料，在1萬個大氣壓下實現了室溫超導(臨界溫度21 ℃)；后又韓國團隊宣稱其合成的LK-99材料，能在常壓下實現實現了室溫超導(臨界溫度127 ℃)。

室溫超導一直是科學家們的夢想，若能成功實現，或將極大地拓展超導技術的應用領域，并引發“第四次工業革命”，人類真的能摘下室溫超導這一物理學“圣杯”嗎？

我們沒有能力辨別其真假，目前來看“子彈還要再飛一會”；不過，討論室溫超導磁共振或許是一件很有趣的事兒，于是又來一本正經的胡說八道。

(資料圖)

1、超導的演進

1913年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯，因其“對低溫下物質特性的研究，特別是導致了液氦的產生”獲得了諾貝爾物理學獎。不過，“零度先生”昂內斯更為后人熟知的貢獻便是其意外發現的超導現象。

昂內斯發現超導現象(來自網絡)

他發現，當溫度降至(-℃)時，汞的電阻突然消失，這是人類首次發現超導現象；他發現，低溫汞材料的電阻率是銅的100億分之一，這意味著如果在這種材料上通1A的電流，需要1000億年才能消耗殆盡，這就是超導的完全導電性；他還發現錫、鉛等許多金屬與合金都具有與類似的低溫超導特性，而常壓下超導臨界溫度最高端的是鈮()，這便是超導磁共振的重要原材料。

超導元素周期表(來自網絡)

1957年，美國物理學家約翰·巴丁(Bardeen)、里昂·庫伯(Cooper)和約翰·施里弗(Schrieffer)提出了著名的BCS 理論，從理論角度解釋了超導現象，標志著超導理論的正式建立，使超導研究進入了一個新的階段。

1968年，美國物理學家威廉·麥克米蘭，根據BCS理論得到超導體臨界溫度上限的公式，在理論上預言了超導體臨界溫度的上限是40K，即麥克米蘭極限。

幸好，這非常令人沮喪預言在1986年被打破，彼時IBM兩位科學家柏諾茲和繆勒發現La-Ba-Cu-O化合物(即銅氧化物)的超導臨界溫度達到35K(約為零下240℃)，他們于次年獲得諾貝爾物理學獎，成為諾獎歷史上從做出發現到授獎最短的時間記錄之一。

銅氧化物超導體的出現標志著高溫超導的誕生，引發了世界范圍高溫超導研究的熱潮，休斯頓大學華裔科學家朱經武和吳茂昆獲得了臨界溫度為98K的超導體；中科院物理所趙忠賢及其團隊獲得了臨界溫度為100K的超導體，從此超導體臨界溫度進入液氮溫區(77K)。在不到兩年時間里，研究者通過元素替代將這類銅氧化物的超導臨界溫度提升到135K，這也是目前常壓下的超導臨界溫度的最高記錄。

是麥克米蘭錯了嗎？不是，是新發現的銅氧化物超導體已超出BCS理論適用范圍。迄今，高溫超導機理依然是未解之謎，解決高溫超導機理也被Science雜志列為是人類面臨的125個重要科學問題之一。

高溫超導的演進(來自網絡)

隨后的幾十年，超導材料研究走向了高壓時代，靠著“蠻力和運氣”，超導臨界溫度一直在提高，甚至達到室溫，與此同時實現超導的壓力也非常恐怖，達到上百萬倍大氣壓，距離實用性依然有很遠的距離。

不過，常壓室溫超導才是我們追求的，這也就是為什么室溫超導的新聞如此讓人激動。今天能否實現常壓室溫超導，我們不得而知；但在我們解開高溫超導之迷以后，或許未來可期。

門外的我們，只能耐心等待。

2、高溫超導磁共振有戲嗎？

荷蘭理論物理學家保羅·埃倫費斯特說過，超導環路里是“永不消逝的電流”。因此，有電的地方，就有超導的用武之地。

自1911年發現超導現象以來的100多年，超導技術發揮越來越重要作用。在低溫超導領域，1960年代發現的NbTi低溫超導材料和1980年代誕生的超導磁共振成為標志性事件，隨后另一種低溫超導Nb3Sn也應用于對撞機等科學裝置。直到今天，低溫超導材料在批量化加工技術、成本、使用穩定性方面的優勢仍無可替代。

超導應用里程碑(來自網絡)

在高溫超導領域，2000年YBCO第二代高溫超導帶材問世之后，高溫超導得到了實質性發展，一方面成本下降和良率提升都呈現明顯加速，另一方面在超導線纜、可控核聚變、高溫超導感應加熱設備等領域展開了規模化商業應用。

或許你會問，為什么超導磁共振依然不能使用高溫超導材料，這樣我們就再也不用擔心液氦短缺問題了。

這是很好的問題，因為與低溫超導設備相比，高溫超導設備的優勢很明顯，如可以工作在更高的溫區(77K)，能產生更高的穩定磁場強度、有更高的熱慣性、能應用在更復雜惡劣的環境。

首先，成本問題。盡管高溫超導產業鏈越來越成熟，成本越來越低，但依然是NbTi的10倍以上。以磁共振為例，其超導磁體成本已降低至50萬元左右，但如果更換為高溫超導材料，僅超導磁體成本將高達500萬元，不要說3T，恐怕連5T、7T都無法忍受。面對如此高昂的成本，液氮再便宜又如何？

其次，技術問題。目前高溫超導并不適合應用于磁共振領域，尚有大量技術問題需要克服，在此我們就不展開。退一萬步，即便解決了技術問題，如果成本仍然很高，也依然很難應用在磁共振領域。

或許你又會問，既然室溫超導有可能實現，那我們能否跳過高溫超導，直接實現室溫超導磁共振？

這也是個很好的問題，眾所周知超導具有3個臨界值，即臨界溫度 Tc、臨界電流Ic 和臨界磁場Hc，三者之間相互制約并形成臨界值曲面，只有當溫度、電流和磁場在臨界值曲面上或內部時，才會進入超導態。

以超導磁共振NbTi為例，其在 K時的臨界磁場為12T，一旦臨界溫度升高，其臨界磁場必然降低，溫度越高臨界磁場。因此，我們很容易理解，室溫超導磁體的臨界磁場必然很低，一旦低于(幾乎是必然的)，室溫超導磁共振對我們則基本沒有意義，畢竟高場磁共振才是我們想要的。

退一萬步，即便臨界溫度和臨界磁場均能滿足超導磁共振需求，那么其臨界電流密度必然很低，一旦低于100A/mm^2，也做不了超導磁體。

超導體的三個臨界值(來自網絡)

再退一萬步，即便室溫超導真的實現了，其應用到超導磁共振這種特殊領域，也需要相當相當長的時間，不僅我們這一代人很難看到室溫超導磁共振，下一代也不一定能看到。

超導落地應用就像人生路漫漫(來自網絡)

3、室溫超導磁共振有價值嗎?

或許，我們還會好奇，室溫超導磁共振萬一實現了呢，又會給我們帶來什么好處呢？

有的說會更便宜、有的說會便攜、有的說會加快成像速度、有的說會帶來新技術，事實真的會如此嗎?

從系統角度，超導磁共振由主計算機、譜儀、磁體、射頻線圈、梯度線圈和功率放大器等部件組成，其中磁體負責為磁共振提供主磁場，也是整個磁共振最貴的部分。

超導磁共振系統架構(來自網絡)

因此，即便實現了室溫超導磁共振，超導磁共振也不會有大的變化，顯然不會帶來新技術，也不會加快成像速度；常溫超材料也大概率比低溫超導材料貴，顯然也不會使磁共振更便宜。

萬一實現了室溫超導磁共振，其最大的改變或許只是主磁體和外設系統，因為不需要超低溫和隔熱層，超導磁體會相對更小、更輕，但也只是相對，畢竟磁體的溫孔孔徑仍要至少保持900mm；因為不再需要4K冷頭，也就不需要液氦冷卻和大型冷水機，但仍需要小型冷水機以保持磁體和梯度溫度即可，超導磁共振會相對更安全和更便攜。

除此之外，看不到其他。或許室溫超導對電網、高鐵、量子計算機等領域有巨大價值，但是對超導磁共振領域影響不大。

坦白說，我們一點也不期待室溫超導磁共振。相較之下，我們更期待無(低)液氦超導磁共振，這才是目之所及的未來。。。

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