電流在傳輸途中總會(huì)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(dòng)，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(xué)（Penn State）的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們找到了預(yù)測超導(dǎo)體的新方法，這或許是通往室溫超導(dǎo)的關(guān)鍵一步。

? 電流的終極夢想：零能量損耗

無論是電網(wǎng)輸電、磁懸浮列車還是量子計(jì)算機(jī)，電流的“摩擦”一直是人類工程的隱形敵人。
當(dāng)電子在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與原子碰撞、釋放熱能——這就是“電阻”。

但超導(dǎo)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(chǎn)生熱、不損耗能量。

唯一的問題是： 絕大多數(shù)超導(dǎo)體只能在極低溫（接近 -273°C）下工作。
這讓它們在現(xiàn)實(shí)世界中幾乎無法應(yīng)用。

而賓州州立大學(xué)的研究，正是要讓超導(dǎo)從“冷凍室”走向“常溫世界”。

理論突破

從超導(dǎo)的經(jīng)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(dǎo)現(xiàn)象的基礎(chǔ)。
該理論認(rèn)為電子會(huì)成對結(jié)合，形成所謂的“庫珀對（Cooper pairs）”，并在晶格中“結(jié)伴而行”。避免與原子碰撞——這正是超導(dǎo)電流的“秘密通道”。

賓州大學(xué)的華人科學(xué)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(jìn)，毫無阻力?！?/p>

著名材料工程師Zi-Kui Liu教授

新理論：量子力學(xué) + 禪熵

但傳統(tǒng) BCS 理論只能解釋低溫超導(dǎo)。
為攻克高溫難題，劉教授團(tuán)隊(duì)融合了兩大理論工具：

1. 密度泛函理論（DFT） —— 一種量子計(jì)算方法，用來預(yù)測電子的分布與能態(tài)；
2. 禪熵理論（Zentropy Theory） —— 一種結(jié)合統(tǒng)計(jì)力學(xué)與量子物理的新框架，可揭示材料在不同溫度下電子結(jié)構(gòu)的變化。

這種組合讓科學(xué)家能在計(jì)算機(jī)中“模擬”材料的電子結(jié)構(gòu)變化，從而預(yù)測哪些物質(zhì)有潛力成為高溫超導(dǎo)體。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：高溫超導(dǎo)的“浮橋結(jié)構(gòu)”

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：在某些高溫超導(dǎo)材料中，電子的“超高速公路”受到一種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)保護(hù)——就像一座“浮橋”在波濤中保持穩(wěn)定。

這種結(jié)構(gòu)可以在更高溫度下依然保持電子的協(xié)調(diào)流動(dòng)，使超導(dǎo)效應(yīng)持續(xù)存在。

他們用新方法成功預(yù)測出：可由 BCS 理論解釋的傳統(tǒng)超導(dǎo)體；一種此前無法解釋的高溫超導(dǎo)體；甚至是銅、銀、金這類傳統(tǒng)非超導(dǎo)金屬，在極低溫下也可能展現(xiàn)出超導(dǎo)特性。

邁向室溫超導(dǎo)：五百萬材料的搜索

在未來，劉教授團(tuán)隊(duì)將運(yùn)用禪熵理論計(jì)算高溫超導(dǎo)體在不同壓力下的轉(zhuǎn)變溫度；利用他們正在建立的包含 500 萬種材料的數(shù)據(jù)庫，以搜索潛在的高溫超導(dǎo)候選者。

劉教授進(jìn)一步表示我們不是在解釋已知，而是在構(gòu)建發(fā)現(xiàn)未知的工具，這將有望帶來真正的室溫超導(dǎo)體，從而徹底改變能源傳輸、計(jì)算與交通的方式。

什么是“室溫超導(dǎo)”？

“超導(dǎo)”是一種物質(zhì)在特定溫度下失去電阻、磁場被排斥的現(xiàn)象。
若這種狀態(tài)能在常溫下實(shí)現(xiàn)，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(tài)；超級計(jì)算機(jī)與量子芯片能量消耗將大幅降低。

因此，實(shí)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”被稱為物理學(xué)的一個(gè)終極圣杯，幾十年來科學(xué)家為此投入了巨大努力。

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