室溫超導(dǎo)材料，真的假的？

來源：華爾街見聞、財聯(lián)社

我們會見證超導(dǎo)時代的到來嗎？

編輯：感知芯視界

從7月底開始，“室溫超導(dǎo)”風(fēng)暴席卷全球，韓國團(tuán)隊在arXiv上傳了兩篇論文，宣稱成功合成了世界上第一個室溫常壓超導(dǎo)體——改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（LK-99），震驚了世界。

據(jù)悉LK-99是由鉛磷灰石稍加變動的六方結(jié)構(gòu)，引入了少量的銅，使其可以在127攝氏度以下表現(xiàn)出超導(dǎo)性，化學(xué)式寫作：

事件始末

——7月22日

全球物理學(xué)界迎來爆炸性消息：韓國一個科學(xué)家團(tuán)隊表示，他們發(fā)現(xiàn)了全球首個室溫超導(dǎo)材料，一種名為“改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（LK-99，一種摻雜銅的鉛磷灰石）”的材料。

——7月29日

韓國室溫超導(dǎo)團(tuán)隊的一名成員李碩裴表示，論文存在缺陷，系一名成員擅自發(fā)布，已要求下架。

——7月30日

上海市超導(dǎo)材料及系統(tǒng)工程中心主任洪智勇：韓國研究團(tuán)隊近期公布的超導(dǎo)體"極大概率"不能實現(xiàn)室溫超導(dǎo)。

——7月31日

韓國“全球首個室溫超導(dǎo)”研究成員回應(yīng)：LK-99材料或可在一個月內(nèi)被復(fù)制，團(tuán)隊可提供指導(dǎo)。

——8月1日

LK-99首批重復(fù)實驗結(jié)果出爐：三篇論文兩篇來自中國：

北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究團(tuán)隊對合成的LK-99檢測發(fā)現(xiàn)，它的室溫電阻不為零，也沒有觀察到它發(fā)生磁懸浮。該論文稱，上述材料表現(xiàn)出的表現(xiàn)出特征類似半導(dǎo)體，而非超導(dǎo)體。

中國科學(xué)院金屬研究所孫巖研究員和劉培濤研究員表示，他們主要進(jìn)行了理論計算，從計算結(jié)果來看，LK-99有室溫超導(dǎo)的可能性；從能帶的角度，給出了一些解釋，“但是不confirm（但這不是證實）”。

勞倫斯伯克利國家實驗室研究表明，韓國團(tuán)隊的LK-99材料在理論層面上確實有可能具有“室溫超導(dǎo)”的特性。

另外，華中科大教授常海欣團(tuán)隊錄制的視頻顯示，他們驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。沒有新的信息可以判斷該材料是否為超導(dǎo)體。

印度CSIR國家物理實驗室發(fā)文稱，“根據(jù)我們在925°C下合成的LK-99樣品的結(jié)果，目前還不能證明在室溫下具有大面積的超導(dǎo)性?！?/p>

——8月2日

曲阜師范大學(xué)復(fù)現(xiàn)韓國室溫超導(dǎo)體實驗結(jié)果公布：無零電阻特性。

——8月3日

韓國超導(dǎo)學(xué)會宣布成立“LK-99 驗證委員會”，表示在國內(nèi)外爭議較大的情況下，該委員會將負(fù)責(zé)驗證成果的真實性。

LK-99 引爆物理學(xué)界

常溫超導(dǎo)體被視為現(xiàn)代物理學(xué)“圣杯”之一，韓國研究團(tuán)隊投下的“重磅”再次引爆了物理學(xué)界。

有分析指出，韓國團(tuán)隊的LK-99“更讓人難以置信”，在于其不僅解決了溫度問題，甚至不需要“高壓助手”。而127℃的Tc（注：Tc超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度），不僅僅是數(shù)字上比以往研究進(jìn)一步大幅提高，更重要的是可應(yīng)用的溫度區(qū)間大大拓寬。

這一技術(shù)能在常溫下讓電子飛快通過，沒有電阻，沒有能量消耗，將顛覆現(xiàn)有電力系統(tǒng)。而室溫超導(dǎo)的實現(xiàn)將深刻變革目前的能源體系、信息處理與傳輸體系，并在醫(yī)療檢測、高速交通乃至可控核聚變等諸多領(lǐng)域帶來進(jìn)步。

目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，LK-99的制備過程似乎相當(dāng)簡單，常溫常壓的條件，“手搓材料”的方式，讓人們在驚愕、質(zhì)疑之外又燃起了希望 —— 萬一超導(dǎo)真就這么簡單，難道不是個巨大的突破？

因此，不管是學(xué)材料的還是不學(xué)材料的都在緊張的圍觀各大實驗室復(fù)現(xiàn)過程。LK-99首批重復(fù)實驗結(jié)果出爐：理論可行但未復(fù)現(xiàn)懸浮或超導(dǎo)。

究竟什么是超導(dǎo)？

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100多年前，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）為人類打開了超導(dǎo)這扇大門。1911年，昂內(nèi)斯在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K以下時，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零，而這并不是任何實驗上的紕漏導(dǎo)致的。

自此，汞成為了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個超導(dǎo)體，其超導(dǎo)Tc為4.2K。所謂的超導(dǎo)Tc即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度。

零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，此外一個重要的基本特征則是邁斯納效應(yīng)。繼昂內(nèi)斯上述發(fā)現(xiàn)20余年后，邁斯納在研究測量中發(fā)現(xiàn)，材料處于超導(dǎo)態(tài)時，其內(nèi)部磁場為零，展現(xiàn)出完全抗磁性，這也就被稱為邁斯納效應(yīng)。

超導(dǎo)現(xiàn)象被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

然而，發(fā)展至今，超導(dǎo)體的實際應(yīng)用基本局限于磁懸浮等少數(shù)特定場景下，原因在于：它通常需要被冷卻至極低溫，且需要施加極高的壓力才能成為超導(dǎo)態(tài)。此次韓國研究團(tuán)隊也提到，自昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性以來，科學(xué)家們一直在尋找室溫超導(dǎo)體。

因此，現(xiàn)代物理學(xué)“圣杯”之一，就是找到能在常溫常壓下，展現(xiàn)出超導(dǎo)特性的“室溫超導(dǎo)體”。

浙商證券在研報中指出，目前大多數(shù)超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度都在40K（-233℃）以下，限制了其在能源、醫(yī)療、信息、精密測量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；目前僅發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體和鎳氧化物超導(dǎo)體2種轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到液氮溫區(qū)77K（-196℃）的非常規(guī)超導(dǎo)材料體系。

此次韓國科研團(tuán)隊公布的超導(dǎo)材料體系在“室溫常壓”（轉(zhuǎn)變溫度約400K（127℃））下即展現(xiàn)超導(dǎo)性，如果被復(fù)現(xiàn)成功，這將是超導(dǎo)領(lǐng)域革命性的進(jìn)步。

“室溫常壓超導(dǎo)”為何讓全球振奮？

實際上，室溫超導(dǎo)和相關(guān)“研究成果”并不是首次出現(xiàn)。早在2018年，兩位印度科學(xué)家宣稱，一種金銀納米粒子構(gòu)成的混合物在13℃下顯現(xiàn)出超導(dǎo)特性。但這項研究在當(dāng)事人2019年5月發(fā)布修正后就不了了之。

今年3月，美國羅切斯特大學(xué)的迪亞斯團(tuán)隊宣稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，但不久后就被多個實驗團(tuán)隊發(fā)表聲明質(zhì)疑，該文章也在質(zhì)疑聲中被撤稿。

那么，人類為什么如此渴望室溫超導(dǎo)？

先說意義，有分析認(rèn)為“如果有人能夠攻破室溫常壓超導(dǎo)，并最終實現(xiàn)商用，其巨大的價值很有可能開啟第四次工業(yè)革命?！?/p>

——能源利用效率極大增長，無需再開采化石能源，環(huán)境得到保護(hù)，人工智能飛速發(fā)展……

“超導(dǎo)體”能夠在特定溫度下保證電阻為零，具有零電阻、完全抗磁性等特征，能被廣泛應(yīng)用于儲能、磁懸浮列車、電力輸送、核磁共振等領(lǐng)域。

室溫超導(dǎo)，意味著超長距離無損耗輸電得以實現(xiàn)，這將引起全球電力網(wǎng)絡(luò)的新一輪的基建狂潮，除此之外超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車等方面均將有所突破。

以磁懸浮列車為例，日本的低溫超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)，利用超導(dǎo)材料做成超導(dǎo)線圈，通過在車廂上安裝制冷機(jī)，保證超導(dǎo)線圈能夠處于低溫超導(dǎo)狀態(tài)。

當(dāng)有電流傳輸通過導(dǎo)體，導(dǎo)體不發(fā)熱，電流幾乎不損耗，而通電產(chǎn)生的磁力能讓列車保持上浮，并向前推進(jìn)。然而，超導(dǎo)所需的超低溫度，成為相關(guān)技術(shù)推廣普及的痛點。

最開始，超導(dǎo)體需要接近絕對零度的低溫，一般要用液氦實現(xiàn)，每公斤要一兩百元；而后來出現(xiàn)的“高溫超導(dǎo)”（此處特指臨界溫度進(jìn)入液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體）用液氮就可以實現(xiàn)，每公斤4元，成本和礦泉水差不多。

如果室溫常壓超導(dǎo)材料取得突破，無疑將在能源、交通、計算、醫(yī)療檢測等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生變革。

但是，現(xiàn)階段室溫超導(dǎo)材料制備成本高昂，批量化加工技術(shù)尚未成型，并且使用穩(wěn)定性仍需大量驗證。因此，即使室溫超導(dǎo)材料得到驗證，室溫超導(dǎo)的商業(yè)化落地時間還無從判斷。當(dāng)前業(yè)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化落地的超導(dǎo)技術(shù)仍然以低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)為主。

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審核編輯 黃宇