物理學圣杯成真？賓州大學科學家發現“室溫超導”的新途徑

電流在傳輸途中總會有能量損耗，但如果有一種材料能讓電流零阻力、無能量損耗地流動，人類的能源與科技格局將被徹底改變。
最近，賓夕法尼亞州立大學（Penn State）的研究團隊宣布，他們找到了預測超導體的新方法，這或許是通往室溫超導的關鍵一步。

? 電流的終極夢想：零能量損耗

無論是電網輸電、磁懸浮列車還是量子計算機，電流的“摩擦”一直是人類工程的隱形敵人。
當電子在導體中運動時，會與原子碰撞、釋放熱能——這就是“電阻”。

但超導體（Superconductor）卻打破了這一自然法則：在特定條件下，電子可以無碰撞地通過材料，不產生熱、不損耗能量。

唯一的問題是： 絕大多數超導體只能在極低溫（接近 -273°C）下工作。
這讓它們在現實世界中幾乎無法應用。

而賓州州立大學的研究，正是要讓超導從“冷凍室”走向“常溫世界”。

理論突破

從超導的經典解釋BCS 理論到“禪熵理論”——自 1957 年起，巴丁–庫珀–施里弗（BCS）理論成為理解超導現象的基礎。
該理論認為電子會成對結合，形成所謂的“庫珀對（Cooper pairs）”，并在晶格中“結伴而行”。避免與原子碰撞——這正是超導電流的“秘密通道”。

賓州大學的華人科學家Zi-Kui Liu教授對此形象地表示：“就像給電子修了一條筆直的高速隧道，它們可以像在德國 Autobahn 上一樣全速前進，毫無阻力。”

著名材料工程師Zi-Kui Liu教授

新理論：量子力學 + 禪熵

但傳統 BCS 理論只能解釋低溫超導。
為攻克高溫難題，劉教授團隊融合了兩大理論工具：

1. 密度泛函理論（DFT） —— 一種量子計算方法，用來預測電子的分布與能態；
2. 禪熵理論（Zentropy Theory） —— 一種結合統計力學與量子物理的新框架，可揭示材料在不同溫度下電子結構的變化。

這種組合讓科學家能在計算機中“模擬”材料的電子結構變化，從而預測哪些物質有潛力成為高溫超導體。

關鍵發現：高溫超導的“浮橋結構”

研究團隊發現：在某些高溫超導材料中，電子的“超高速公路”受到一種獨特的原子結構保護——就像一座“浮橋”在波濤中保持穩定。

這種結構可以在更高溫度下依然保持電子的協調流動，使超導效應持續存在。

他們用新方法成功預測出：可由 BCS 理論解釋的傳統超導體；一種此前無法解釋的高溫超導體；甚至是銅、銀、金這類傳統非超導金屬，在極低溫下也可能展現出超導特性。

邁向室溫超導：五百萬材料的搜索

在未來，劉教授團隊將運用禪熵理論計算高溫超導體在不同壓力下的轉變溫度；利用他們正在建立的包含 500 萬種材料的數據庫，以搜索潛在的高溫超導候選者。

劉教授進一步表示我們不是在解釋已知，而是在構建發現未知的工具，這將有望帶來真正的室溫超導體，從而徹底改變能源傳輸、計算與交通的方式。

什么是“室溫超導”？

“超導”是一種物質在特定溫度下失去電阻、磁場被排斥的現象。
若這種狀態能在常溫下實現，就意味著：電力傳輸將零能量損耗；高效磁懸浮列車可成為常態；超級計算機與量子芯片能量消耗將大幅降低。

因此，實現“室溫超導”被稱為物理學的一個終極圣杯，幾十年來科學家為此投入了巨大努力。

超導研究歷經百年，經歷過無數“希望與坎坷”。而如今，這項來自賓州州立大學的理論突破，或許正讓人類離“室溫超導”——離完美能量世界，為人類距離這一圣杯，又邁出了一步。