室温超导终于要实现了吗？

低温超导体的挑战：尽管超导材料前景广阔，但多数仍无法用于日常技术，因其非凡导电能力仅在极低温度下显现，远低于能源系统或先进电子设备的实用温度。美国能源部基础能源科学“凝聚态理论”项目支持的宾州州立大学团队，开发出一种新的计算方法来预测哪些材料可能具有超导性，有望为找到在更高温度（甚至接近室温）下工作的超导材料铺平道路。

长期未解的谜团：宾州州立大学材料科学与工程教授刘子 Kui（Zi-Kui Liu）解释，预测超导性——尤其是可能在更高温度下工作的材料的超导性——一直是个未解难题。现有理论长期以来仅被认为对低温超导体准确。他作为发表在《超导体科学与技术》上一项新研究的主要作者表示：“我们的目标一直是提高超导性持续的温度，但首先，我们需要确切理解超导现象如何发生，这正是我们工作的切入点。”

经典理论如何解释超导体：数十年来，科学家依靠巴丁 - 库珀 - 施里弗（BCS）理论描述传统超导体在极低温度下的工作原理。该理论认为，电子因与原子晶格振动（称为声子）相互作用而无电阻运动。这种相互作用使电子配对形成“库珀对”，它们同步在材料中移动，避免原子碰撞，防止能量以热量形式损失。刘子 Kui 解释：“想象一条专为电子打造的超级高速公路。如果路线太多，电子会碰撞并损失能量；但如果为它们建造一条直隧道，就像德国的 Autobahn（高速公路），它们就能无电阻地快速自由穿行。”

追求无电阻电力：刘子 Kui 称，这种无电阻传输能量的能力使超导体极具前景。若能开发出在更高温度下保持超导性的材料，电力传输将更远、更快、更高效，从而改变全球电力系统。为理解这一现象，美国能源部资助的项目使用称为密度泛函理论（DFT）的计算工具。DFT 有助于模拟电子在普通导体与超导体中的行为差异。团队假设，尽管 DFT 不直接模拟库珀对，但其预测的电子密度应与配对电子的密度相似，使研究人员能研究潜在的超导行为。直到最近，描述电子配对的 BCS 理论与植根于量子力学的 DFT 一直被分开看待。刘子 Kui 的团队找到连接这两个框架的方法，开辟了预测超导性的新路径。

熵理论的提出：突破核心在于“熵理论”（zentropy theory）。该方法融合了研究大量粒子集体行为的统计力学原理、量子物理学和现代计算建模。熵理论将材料的电子结构与其性质随温度的变化联系起来，揭示材料从超导态转变为非超导态的时机。应用该理论需了解材料在绝对零度（0 开尔文，可能的最低温度，此时所有原子运动停止）下的行为。刘子 Kui 的团队证明，即使 DFT 最初并非为研究超导体设计，也能提供超导现象何时及如何发生的关键见解。

预测下一代超导体：刘子 Kui 表示，这种新方法使科学家能预测材料是否可能成为超导体。熵理论随后可估算材料失去超导性的临界温度。经典 BCS 理论能成功解释仅在极低温度下工作的超导体，但对高温超导体失效，因其库珀对更易破裂。通过 DFT 建模，刘子 Kui 的团队发现，在高温超导体中，电子“超级高速公路”因独特原子结构而保持稳定——类似能随波弯曲的浮桥，即使热振动增加，电子仍能平稳移动。利用这种组合方法，团队成功预测了常规和高温材料的超导行为，包括传统理论无法解释的一种材料。他们还预测铜、银、金等通常不被视为超导体的金属可能具有超导性，这可能是因为它们需要极低温度才能显现该效应。这些发现或加速发现能在更高、更实用温度下工作的新型超导材料。

寻找实用超导体的下一步：宾州州立大学研究人员计划从两方面扩展工作。一是利用熵理论预测压力对超导体失去电阻温度的影响；二是搜索包含 500 万种材料的大型数据库，识别可能具有超导性的新候选材料。目标是找到最有前景的材料，并与实验研究人员合作进行测试。刘子 Kui 说：“我们不只是解释已知现象，而是构建发现全新事物的框架。若成功，该方法可能促成在实际环境中工作的高温超导体的发现，若存在的话，甚至可能是室温超导体。这种突破可能对现代技术和能源系统产生巨大影响。”宾州州立大学材料科学与工程研究教授尚顺礼（Shun-Li Shang）是该研究的共同研究者。本研究由美国能源部支持。