室温超导仍待突破：如若实现，将带来什么科技革新与商业机遇？

超导体是一种在特定温度下电阻为零的材料。传统的超导体需要在极低的温度下才能工作，这使得其实际应用受到限制。室温超导则不需要这一环境。尽管目前对于室温超导能否及如何实现，各界争议仍然很大，但这一材料若被验证，无疑是物理学和材料科学领域的一项重大突破。

超导技术的商业应用非常广泛，从能源传输、存储，到磁悬浮交通，再到量子计算，其潜力巨大。室温超导若能推广，未来还可能在国防军事、医疗方面有所应用。

来源：新财富杂志（ID：xcfplus）

作者：刘振（ CFA、FRM持证人）

2023年7月22日，韩国研究人员在预印本网站arXiv平台上张贴两篇论文，声称发现常压室温超导体。随后，华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，成功首次验证合成了可以磁悬浮的LK-99晶体，该晶体悬浮的角度比韩国论文一作李硕裴（Sukbae Lee）等人获得的样品磁悬浮角度更大，这也给室温超导的突破带来希望。一时之间，室温超导引发全球关注。如果室温超导能够实现，将带来许多新的商业应用与投资机遇。

不过目前，对于该材料是否可以实现超导，各界仍有不同的看法，且以否定占据主流。比如近日，《自然》杂志就发文称，LK-99并非室温超导体。曾在美国费米实验室工作的科学作家丹·加利斯托写道：“研究显示，这种材料中的杂质，尤其是硫化亚铜，才是电阻率快速下降并能部分悬浮于磁铁上方的原因，这些特性看起来与超导体很像。”

总之，室温超导能否真正实现，仍需科学界的研究。

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发展过往：超导体发现已有百年历史

超导现象最初在1911年被荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现，其在研究汞的电阻时，发现汞在液氦温度下(4K)电阻突然消失，表现出超导性能。这一发现为超导研究打开了大门。但由于需要极低的温度，超导应用受到了很大的限制。

随着时间的推移，科学家们在寻找更高温度下的超导材料方面取得了一些进展。1986年，两位瑞士科学家发现了一种在液氮温度下仍然表现出超导性质的材料。这一发现使得超导技术的应用变得更为实际，但真正的室温超导体仍然是一个遥不可及的梦想。

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商业应用：能源交通均有覆盖

超导体是一种在特定温度下电阻为零的材料，这意味着电流可以在其中无损耗地流动。然而，传统的超导体需要在极低的温度下才能工作，这使得其实际应用受到了限制。如果常温超导体得以发现，将可以让人类的相关科技至少进步20年。

超导技术的商业应用非常广泛，从能源传输、存储，到磁悬浮交通，再到量子计算，其潜力巨大。如果超导技术被确定，可能对几大行业带来影响并推动具体的商业应用场景落地。

一是能源传输和存储。由于超导体的电阻为零，电能可以长距离无损耗传输，这将极大提高电网效率。此外，超导体也可以用于制造无损耗的电能存储设备，对于通过储能解决风能、太阳能等再生能源的间歇性发电问题，具有重要意义。

据统计，全球每年因电网损耗而浪费的电能高达4000亿千瓦时，这相当于10个大型核电站一年的总产量。

综合来看，全球电网的损耗率介于6%-15%之间，关键取决于各国电网基础设施水平的高低。减少电网损耗是电力行业重要的发展方向。如果室温超导体得以确立，将可以大大减少这一损耗，为全球节省数千亿美元的电费，同时，在再生能源领域的投资机遇和创业机遇也将大幅度扩展。

二是磁悬浮交通。这是一种使用磁力使车辆悬浮在轨道上运行的交通方式。由于车辆不直接接触轨道，因此可以大大减少摩擦，从而实现高速、高效、低噪音和低能耗的运输。然而，传统的磁悬浮交通系统需要消耗大量的电力来产生磁场，运行成本较高。

而超导体的一个重要特性是可以在磁场中产生强大的磁悬浮效应，并且几乎不需要消耗电力，因此，常温超导下，可以制造出更高效、更经济的磁悬浮交通系统。

此外，室温超导体的出现也可能创造出全新的市场，例如制造小型的磁悬浮交通工具，如磁悬浮自行车或磁悬浮滑板。

2023年之前，全球磁悬浮市场规模接近20亿美元，但增长速度相对较低，这有两个主要原因。一是技术限制。长期以来，磁悬浮技术面临着超导材料工作温度过低、稳定控制难题大等障碍。二是巨大的建设成本。磁悬浮线路建设和运营成本非常高，一般比同等规格的高铁高出2-3倍。许多国家和地区难以承受这样的投资。

如果超导材料诞生，上述两个问题都将得到极大程度的解决。

在技术层面，超导工作温度提高将大幅降低对致冷系统的需求，简化线路系统设计；控制稳定性将得以增强，使磁悬浮系统在更复杂环境下也能稳定运行。

在成本方面，有更高工作温度将大幅降低线路建设和运行能耗，更轻量化的系统将减少基础设施和材料投入，更简化的系统将降低工程建设难度。上述优化下，保守估计，其建设成本每公里可降低30%以上，相比地铁的性价比会显著提升，未来全球或许会有更多城市选择磁悬浮而非地铁。

第三是量子计算。量子计算利用量子力学的特性如叠加态和纠缠来进行计算。理论上，量子计算机比传统的计算机更强大，可以在某些问题上实现指数级的速度提升。然而，量子计算的实现面临着许多技术挑战，其中之一就是如何制造和操作量子比特。

量子比特是量子计算机的基本单元，它的状态可以是0、1，或者是0和1的叠加态。在实际操作中，我们需要一种既可以精确控制又可以保持量子态稳定的物理系统来实现量子比特状态。超导电路是实现量子比特的一种主要方式，因为它们可以产生和操控微弱的量子态。但是，传统的超导电路需要在极低的温度下才能工作，这使得量子计算机的制造和运行非常复杂和昂贵。如果我们可以使用室温超导体来制造量子比特，那么量子计算机的制造和运行就可能变得更简单和更便宜。

此外，我们也可以使用室温超导体，制造出小型的量子计算设备，应用于量子通信、量子加密和量子传感等领域。现在已经被研制出来的两类量子计算机，一类是基于电磁激光技术，另外一类是基于超导微波技术。其中，IBM公司的基于超导微波技术的量子计算机已经让人们看到了超导体在计算机领域的可行性。

波士顿咨询发布的报告预测，在考虑量子纠错算法的进展下，2035年全球量子计算应用市场规模将达到近2600亿美元，随后暴涨到2050年的2950多亿美元，其未来30年的年均增长速度将达到30%。

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七大领域的投资机遇

如果室温超导体得以发现和确立，将带来前所未有的投资机会，主要来自七大主要领域。

第一是基础研究与开发。即使发现室温超导材料，其具体的工作机制、最佳合成方法和其他相关技术仍需进一步研究。这些基础研究包括材料科学研究领域，即支持那些正在研究新型超导材料、改进现有材料性能或降低生产成本的实验室和研究机构；以及超导测试与测量设备。

第二是超导材料的生产与制造。当技术的成熟后，会有越来越多的需求要求大规模、高效、低成本地生产室温超导材料。这会为材料生产和制造领域带来投资机遇。

第三是能源传输与存储。室温超导材料可以大大提高电力传输的效率，减少能源损失。此外，超导材料还可以用于制造高效的储能设备，如超导磁能存储（SMES）。

第四是磁悬浮交通与交通基础设施。室温超导材料可以用于制造高效、低成本的磁悬浮交通系统。这能为磁悬浮列车、磁悬浮公路和其他相关交通基础设施的建设和运营带来投资机遇。

第五是医疗与生物技术。超导技术在医疗领域有广泛的应用，如磁共振成像（MRI）。当前的MRI技术依赖于超导磁体，这些磁体需要液氦冷却到极低的温度。室温超导材料的出现可能会使MRI设备更加紧凑、更加经济，并减少对液氦的依赖，进一步提高这些设备的性能和降低成本。

第六是量子计算与通信。室温超导可以简化量子计算机的制造和运行。

第七是军事与国防。超导技术在雷达、导航、通信和其他军事应用中有潜在的适用性。室温超导可以提高这些设备的性能和可靠性。

总的来说，如何在常压下生产室温超导体，如何大规模、低成本地生产相关材料，如何开发出可靠的应用技术和设备，都是室温超导研究需要解决的问题。如果这一技术能够取得突破，将为全球科技和商业界带来了巨大的新机遇。

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