“室溫超導(dǎo)夢(mèng)想不能放棄”但“這次很?概率不是這么回事”

自1911年荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞的電阻會(huì)突然消失以來，超導(dǎo)現(xiàn)象一直是科研熱點(diǎn)之一。

通常來說，電子很難無損地穿過晶體固體，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰Ц裰姓駝?dòng)的原子上會(huì)發(fā)生反彈。根據(jù)BCS理論可知，在某些材料中電子和聲子耦合形成庫珀對(duì)。當(dāng)溫度降到足夠低時(shí)，這些電子就可以在材料中暢通無阻地通過，從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。

昂內(nèi)斯使用液氦（沸點(diǎn)為4.2K，負(fù)269攝氏度左右）來冷卻水銀，這樣的低溫會(huì)極大限制超導(dǎo)材料的工程應(yīng)用。人們?cè)噲D找到轉(zhuǎn)變溫度更高的超導(dǎo)材料。

1986年IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的研究人員貝德諾爾茨和米勒在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為35K的鑭鋇銅氧超導(dǎo)體。隨后，美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武、吳茂昆以及我國趙忠賢等人迅速的將銅氧化物超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度提高到了液氮溫區(qū)77K以上。

人們還發(fā)現(xiàn)通過提高壓強(qiáng)可以提高某些超導(dǎo)體的臨界溫度。2019年，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室馬杜里·索馬亞祖魯報(bào)道稱，當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為190萬個(gè)大氣壓強(qiáng)和零下13攝氏度的環(huán)境下，十氫化鑭（LaH10）可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

雖然超導(dǎo)溫度得以提高，但是高壓條件的存在，也極大限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。因此，如能制備出超導(dǎo)材料在室溫常壓環(huán)境下使用，將成為凝聚態(tài)物理學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

2023年7月22日，韓國量子能源研究中心的兩位研究員SukbaeLee和Ji-HoonKim、以及韓國高麗大學(xué)教授Young-WanKwon宣稱他們發(fā)現(xiàn)了一種新型超導(dǎo)體，并將兩篇論文發(fā)在arXiv上。

相關(guān)論文的題目分別為《首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體》和《室溫常壓環(huán)境下超導(dǎo)體Pb10-xCux（PO4）6O展示懸浮特性及其機(jī)制》。

上述預(yù)印本論文顯示，韓國團(tuán)隊(duì)此次制備了一種改性的摻雜銅鉛磷灰石LK-99，他們使用CuCu2+取代了Pb22+，誘發(fā)了微小的晶體結(jié)構(gòu)畸變，從而讓體積收縮0.48%，借此在鉛離子和磷酸鹽界面上構(gòu)造出超導(dǎo)量子阱，并讓LK-99具備了超導(dǎo)性。

其還表示，LK-99在127攝氏度和常壓環(huán)境仍然具有超導(dǎo)性，這一溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室溫條件。

按照他們的描述，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證明的超導(dǎo)現(xiàn)象，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于美國羅切斯特大學(xué)教授蘭加·迪亞斯團(tuán)隊(duì)于2023年3月所展示的成果。當(dāng)時(shí)，迪亞斯表示他們的實(shí)驗(yàn)需要1GPa壓強(qiáng)和21攝氏度，相關(guān)論文發(fā)表于《自然》。針對(duì)迪亞斯的這一成果，南京大學(xué)教授聞海虎團(tuán)隊(duì)通過重復(fù)迪亞斯論文的實(shí)驗(yàn)方法，證明借镥-氫-氮材料在6.3GPa壓力和零下263攝氏度環(huán)境時(shí)并不存在超導(dǎo)性，從而推翻迪亞斯的研究成果。后來，聞海虎課題組將實(shí)驗(yàn)過程整理成論文，于2023年5月發(fā)表在《自然》上。

迪亞斯從事高壓超導(dǎo)研究已有多年，早在2020年10月就曾在《自然》發(fā)表相關(guān)論文。但是，那篇論文也遭到了業(yè)界同行的質(zhì)疑。2022年9月，《自然》撤掉了迪亞斯發(fā)表于2020年10月的這篇論文。

而此次韓國團(tuán)隊(duì)的論文，之所以得到全球范圍內(nèi)的關(guān)注，也是受到近年來室溫超導(dǎo)成果接連“反轉(zhuǎn)”的影響。

針對(duì)韓國團(tuán)隊(duì)的此次成果，聞?；⒔淌谝蚕蛎襟w公開了他的幾點(diǎn)質(zhì)疑。其表示要想判斷材料是否具有超導(dǎo)性，應(yīng)該測(cè)量該材料在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下的零電阻特性和完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）。盡管韓國團(tuán)隊(duì)分別從電阻測(cè)量、磁化測(cè)量和磁懸浮的測(cè)量三個(gè)方面來表明LK-99材料的具有超導(dǎo)特性。但是，實(shí)驗(yàn)方法本身就存在問題。

聞?；⒅赋?，韓國團(tuán)隊(duì)使用四根尖銳的針尖做電極來進(jìn)行電阻測(cè)量，有時(shí)候會(huì)有一定的問題。從測(cè)試數(shù)據(jù)來看沒有發(fā)現(xiàn)在低溫下有穩(wěn)定的低噪音零電阻態(tài)。

韓國團(tuán)隊(duì)使用超導(dǎo)量子干涉器件來進(jìn)行磁化測(cè)量，當(dāng)測(cè)量信號(hào)較小時(shí)，經(jīng)常容易給出假象。在缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，會(huì)把一個(gè)弱鐵磁金屬測(cè)量成了超導(dǎo)抗磁性。

此外，盡管韓國團(tuán)隊(duì)在視頻中展示了磁懸浮現(xiàn)象，但這種磁懸浮與超導(dǎo)體的磁懸浮有很大區(qū)別，是一個(gè)需要支撐點(diǎn)不穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。因此單從論文來看，很難證明LK-99的超導(dǎo)性。

清華大學(xué)一名研究員表示：“我認(rèn)為即使合成了這種材料，大概率結(jié)論就是發(fā)現(xiàn)它不超導(dǎo)。聞老師對(duì)他們結(jié)果的質(zhì)疑我覺得很合理，最后估計(jì)也就是這個(gè)結(jié)論?！睋?jù)了解，目前聞海虎已經(jīng)安排自己實(shí)驗(yàn)室的一名成員復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室邁克爾·諾曼也對(duì)論文表示懷疑。他告訴媒體這篇論文就像“業(yè)余愛好者”的作品，在展示數(shù)據(jù)時(shí)的做法也很可疑。

諾曼表示，未摻雜的材料鉛磷灰石（PbA12）不是金屬而是一種非導(dǎo)電礦物，這對(duì)于制造超導(dǎo)體來說是一個(gè)不切實(shí)際的起點(diǎn)。鉛和銅原子具有相似的電子結(jié)構(gòu)，因此用銅原子代替部分鉛原子不應(yīng)該對(duì)材料的電性能產(chǎn)生較大影響。

此外，鉛原子非常重，這會(huì)給抑制振動(dòng)、以及讓電子成對(duì)變得更加困難。諾曼表示他所在的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和其他課題組的研究人員正在努力復(fù)制這個(gè)實(shí)驗(yàn)。預(yù)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)不會(huì)太難，因?yàn)殂U磷灰石是一種“眾所周知”的材料，但是最終給出的結(jié)論并不會(huì)像公眾所理解的那樣簡單。

著名超導(dǎo)與量子材料專家、澳大利亞伍倫貢大學(xué)超導(dǎo)與電子材料所所長、澳大利亞國家未來低能電子技術(shù)中心分部主任王曉臨表示：“從提供的數(shù)據(jù)來看，有些很像超導(dǎo)的特征。其中，抗磁性是非常重要的。從視頻來看，是典型的抗磁性。但是，很多非超導(dǎo)材料，也有很強(qiáng)的抗磁性，類似的視頻也很多。而從提供的數(shù)據(jù)看，應(yīng)該是第二類超導(dǎo)體，也就是磁場(chǎng)以量子態(tài)可以進(jìn)入材料?！?/p>

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授應(yīng)劍俊表示，論文中的實(shí)驗(yàn)證據(jù)還非?！按植凇?，這也是廣受質(zhì)疑的原因，不過韓國團(tuán)隊(duì)給了詳細(xì)的合成步驟。應(yīng)劍俊繼續(xù)表示：“應(yīng)該很快會(huì)有人重復(fù)實(shí)驗(yàn)，這需要看別人的重復(fù)結(jié)果，現(xiàn)在還不好下結(jié)論。”

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室博士后周秀全說：“目前沒有在arXiv上看到復(fù)制出韓國課題組成果的論文。但是因?yàn)樗麄兊暮铣煞椒ū容^簡單，應(yīng)該很快最多1-2個(gè)禮拜有類似工作出現(xiàn)。許多歐美課題組也都在進(jìn)行這個(gè)工作的合成。雖然多數(shù)人都持懷疑態(tài)度，但是獨(dú)立驗(yàn)證是必不可少的。”

南京大學(xué)教授尹華磊也表示：“如果這一發(fā)現(xiàn)屬實(shí)，帶給我們的改變是方方面面的，從此進(jìn)入超導(dǎo)時(shí)代，涉及電相關(guān)的全部都會(huì)改變?！币A磊舉例稱：“當(dāng)前高壓輸電線路在長距離傳輸時(shí)，電阻的存在會(huì)損失很大一部分能量。而室溫超導(dǎo)材料的零電阻特性使得電能傳輸效率大幅提高，減少了能源的浪費(fèi)。這意味著我們可以更有效地利用電力資源，降低能源成本，并減少對(duì)環(huán)境的影響。”

作為超導(dǎo)領(lǐng)域的業(yè)界人士，上海超導(dǎo)總裁、上海市高溫超導(dǎo)材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任朱佳敏表示：“工業(yè)界目前實(shí)用化的超導(dǎo)材料只有低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)。超導(dǎo)材料要利用其零電阻特性走向?qū)嵱?，就必須要變成長的、柔性的像‘電線’一樣的線材或帶材。大部分超導(dǎo)長線采用粉末套管法制備，即將制備材料所需的粉末包裹在金屬套管里，拉拔制備成導(dǎo)線，然后再通過軋制或熱處理獲得較好的超導(dǎo)性能。REBCO高溫超導(dǎo)材料由于晶界的弱連接問題，采用在柔性基底雙軸織構(gòu)上的薄膜外延生長方式制備而成。如果室溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，我們就能利用現(xiàn)有的成熟工藝技術(shù)，迅速地把這個(gè)材料進(jìn)行規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化?！?/p>

由于此次新聞過于轟動(dòng)，以至于網(wǎng)友開始討論室溫超導(dǎo)和人工智能到底誰才是新一次工業(yè)革命的主力。對(duì)此，上述清華大學(xué)研究員表示，室溫超導(dǎo)“是凝聚態(tài)物理學(xué)的圣杯”，“如果室溫超導(dǎo)真的實(shí)現(xiàn)，影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工智能”。

他說道：“如果室溫超導(dǎo)真的實(shí)現(xiàn)，也就能實(shí)現(xiàn)室溫常規(guī)環(huán)境的磁懸浮和無電阻導(dǎo)電，那我覺得室溫超導(dǎo)的影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工智能?！?/p>

其還打了個(gè)比方：人工智能可以類比為汽車，汽車能幫我們走的更快更輕松，但是不可能完全取代人的腿腳。人工智能可以一定程度擴(kuò)展大腦能力的外延?！暗?，我感覺人工智能和室溫超導(dǎo)沒法比，毫不夸張地說室溫超導(dǎo)可以改變生活的各個(gè)方面，小到電子設(shè)備的性能、大到電力傳輸和磁懸浮等，甚至能催生很多新的技術(shù)?！彼^續(xù)表示。

假如可以實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，還有可能更新超導(dǎo)理論甚至固體理論，這將從根本上影響物理學(xué)的發(fā)展。“當(dāng)然，我們是假設(shè)韓國學(xué)者的結(jié)果是對(duì)的，但是很大概率不是這么回事。”清華大學(xué)研究員補(bǔ)充稱。