什么是解常溫常壓超導體？室溫超導“熱潮”已掀開

就在最近的一個月，曾風靡全球的ChatGPT熱度隨之下降；突然爆火的學術(shù)新話題“常溫超導”則震驚了我們所有人。

韓國科研團隊上傳了兩篇論文稱，成功合成了世界上第一個室溫常壓超導體；

據(jù)悉，這種材料主要是改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（簡稱LK-99，一種摻雜銅的鉛磷灰石）。

如今距離人類首次發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象已經(jīng)有100多年，因此室溫超導總能引發(fā)公眾狂熱。

1911年，荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當溫度降低至4.2K（約-268.95℃）時，浸泡在液氨里的金屬汞的電阻會消失。

2020年，美國內(nèi)華達大學的研究人員就稱其開發(fā)出了一種室溫超導材料，并成立了一家名為Unearthly Materials來進一步開發(fā)。

2023年3月份，來自美國羅切斯特大學的物理學家 Ranga Dias 聲稱自己在 21℃條件下實現(xiàn)了室溫超導——由氫（99%）、氮（1%）和純镥制成的材料 LNH 在 21°C、1GPa 條件下就實現(xiàn)了超導狀態(tài)。

或許大多數(shù)人只知其一，不知其二。

首先，我們先來了解什么是解常溫常壓超導體？

它是指在低溫條件下（通常是接近絕對零度），電阻完全消失的材料，電阻是導致能量損耗和熱量產(chǎn)生的原因之一，而超導材料能夠以零電阻的方式傳導電流；這種特性使得超導材料在電力輸送、磁場應(yīng)用、粒子加速器、磁共振成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

其中，超導材料的超導現(xiàn)象是由發(fā)現(xiàn)者之一荷蘭物理學家海克·卡末林·奧斯特瑞格在1911年首次觀察到的，超導材料通常需要冷卻到非常低的溫度，才能實現(xiàn)超導狀態(tài)；但近年來，一些高溫超導材料被發(fā)現(xiàn)，在相對較高的溫度下（比液氮溫度稍高）也能表現(xiàn)出超導性質(zhì)，這為超導技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更多可能性。

尤其，常溫常壓超導體最大亮點便是擺脫了極低溫和超高壓限制，韓國團隊宣稱新發(fā)現(xiàn)的LK-99，在常壓和127℃的條件下，具備超導體的“零電阻”和“完全抗磁性”。

LK-99化學式寫作

與此同時，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)出超導性：

室溫超導體LK-99的獨特之處在于其極高的臨界溫度，超過了攝氏30度；這意味著它可以在常溫環(huán)境下實現(xiàn)零電阻傳導電流，而無需額外的冷卻設(shè)施，這一突破性的特性將徹底改變現(xiàn)有的能源輸送和存儲方式。

另外，室溫超導體LK-99能夠顯著提高電力輸送的效率。由于使用LK-99的電線幾乎沒有電阻，電力傳輸損失大大降低；這意味著能源可以更有效地從發(fā)電廠傳輸?shù)较M者，減少了能源浪費和環(huán)境影響，此外，由于電線中的能量損失減少，也降低了電線過熱引發(fā)火災(zāi)的風險。

其次，LK-99的應(yīng)用還涉及到醫(yī)學和科學領(lǐng)域。在核磁共振成像（MRI）等醫(yī)療設(shè)備中，室溫超導體的使用將顯著改善圖像分辨率，并提高診斷的準確性；在科學研究中，它將推動實驗設(shè)備的進一步發(fā)展，加快各個領(lǐng)域的創(chuàng)新。

除此之外，室溫超導體LK-99也將對交通運輸產(chǎn)生重大影響，其在電動車輛中的應(yīng)用將使電池充電速度更快、行駛距離更遠，從而提升電動車的實用性和普及度；且，LK-99的應(yīng)用還有助于開發(fā)高速磁懸浮列車等新型交通工具，提高交通效率和舒適度。

圖片來自：Google

值得一提的是：常溫常壓超導體被視為現(xiàn)代物理學的“圣杯”之一；若實驗結(jié)果能夠復(fù)現(xiàn)，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。

更高效的能源傳輸、轉(zhuǎn)換與存儲：超導材料利用零電阻的特性，可以無損耗地傳輸電力，使得能源傳輸效率、穩(wěn)定性和可靠性極大提升。

更高速的交通方式：超導材料帶來電能傳輸效率的提升和磁懸浮列車降低成本的可能，將直接影響高速交通方式變革。

更快的信息處理速度：超導材料在低溫環(huán)境下具有高度的量子特性，可用于構(gòu)建量子計算機，運算速度遠超現(xiàn)有計算機，或?qū)⒃谛畔⑻幚眍I(lǐng)域帶來巨大變革。

更先進的治療手段：超導材料在醫(yī)學領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如MRI、超導線圈等。常溫常壓下超導材料的出現(xiàn)，將為醫(yī)療設(shè)備的小型化和便攜化提供可能，推動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。

特別是針對半導體產(chǎn)業(yè)鏈而言，超導電阻的驅(qū)零性，可完美解決散熱問題：

這時的功率應(yīng)該取決于與非門最低驅(qū)動電流是多少，到時候電子元件可以做得更小，幾乎可以忽略散熱問題。

芯片設(shè)計解決了，封裝自然也不能落下。

傳統(tǒng)封裝材料無法有效抑制芯片周圍的電磁干擾，可能導致芯片性能下降。

而使用常溫超導材料作為封裝材料，可以提供更好的電磁屏蔽效果，減少外部電磁信號對芯片的干擾，提高芯片的工作穩(wěn)定性和可靠性。

亞瑟·克拉克曾說過：“任何足夠先進的科技，在大眾眼里都與魔法無異”。

簡單來說，這一頗具科幻色彩的技術(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)。

發(fā)展至今，超導體的實際應(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態(tài)；此次韓國研究團隊也提到，自昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導性以來，科學家們一直在尋找室溫超導體。

時至今日，全球之所以對室溫超導材料關(guān)注如此密切，正是因為這項技術(shù)一旦得到突破，將有可能徹底改變科學和技術(shù)的各方面。

審核編輯：劉清