來自韓國的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)，近日在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上傳了兩篇論文，宣稱發(fā)現(xiàn)了首個(gè)室溫常壓下的超導(dǎo)體。
論文聲稱：在常壓條件下，一種改性的鉛磷灰石（文中稱為LK-99）能夠在127℃以下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。
論文一經(jīng)公布，便在網(wǎng)絡(luò)上引發(fā)了熱烈討論。
arXiv上的論文截圖 圖片來源：參考資料[1]
看到這條新聞的你，一定會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問：怎么又是室溫超導(dǎo)？怎么又吵翻天了？以及，為什么有種似曾相識的感覺？
太長不看版
超導(dǎo)是材料在一定溫度下電阻變?yōu)?的物理現(xiàn)象；
超導(dǎo)體的應(yīng)用有望為科技帶來巨大變革，但苦于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度過低，應(yīng)用受限；
室溫條件下的超導(dǎo)體是超導(dǎo)研究人員的終極夢想；
此次引爆輿論的韓國論文尚未通過同行評議，對于論文宣稱的結(jié)果需保持謹(jǐn)慎，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
超導(dǎo)是什么？
物理上，超導(dǎo)（superconductivity）是材料在低于一定溫度時(shí)電阻變?yōu)?的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變后的材料稱為超導(dǎo)體（superconductor）。
中學(xué)課本里提到過，在一個(gè)電路中，導(dǎo)線里的電荷在電壓驅(qū)動(dòng)下會(huì)像跑步運(yùn)動(dòng)員一樣運(yùn)動(dòng)，從而形成電流，但經(jīng)過導(dǎo)體的電阻會(huì)阻礙它們的運(yùn)動(dòng)。
如果電路由超導(dǎo)體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會(huì)一直流動(dòng)下去。在一個(gè)超導(dǎo)鉛制成的環(huán)路中，可以連續(xù)幾個(gè)月都觀測不到電流有減弱的跡象。
超導(dǎo)現(xiàn)象由昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)
圖片來源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)
除了電阻為0以外，超導(dǎo)體還有另一個(gè)奇特的性質(zhì)，稱為完全抗磁性。材料轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體后，就好像武僧使出了金鐘罩，體內(nèi)的磁場會(huì)“排斥”掉幾乎所有的磁通量，磁力線無法穿透超導(dǎo)體。
這個(gè)現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應(yīng)。
根據(jù)超導(dǎo)體的完全抗磁性，可以做個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在超導(dǎo)體的正下方放置一個(gè)磁體，磁體在周圍產(chǎn)生磁場，而超導(dǎo)體的內(nèi)部不允許磁場存在，從而產(chǎn)生相反磁場，與磁體互相排斥。
如果排斥力和超導(dǎo)體的重力相平衡，就能讓超導(dǎo)體懸浮在半空中，仿佛科幻小說中的場景。
圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛
后來物理學(xué)家總結(jié)，要看一個(gè)材料是不是超導(dǎo)體，就看它是否同時(shí)具有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的特性，兩者缺一不可。
因?yàn)樽陨硖厥獾男再|(zhì)，超導(dǎo)體引發(fā)了人們對它未來應(yīng)用的無限遐想。比如：
零電阻的電路幾乎沒有熱損耗，使用超導(dǎo)體材料進(jìn)行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費(fèi)，提高能源利用效率；
超導(dǎo)線運(yùn)用于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)能大幅提高電流強(qiáng)度和輸出功率；
超導(dǎo)體制作超大規(guī)模集成電路的連線，能解決散熱問題，提高運(yùn)算速度。
超導(dǎo)體的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，有可能為科學(xué)技術(shù)帶來巨大而深刻的變革。
圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛
可惜，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。直到目前為止，超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導(dǎo)量子干涉儀等特定情境中。在電力工程方面，尤其是被寄予厚望的超導(dǎo)線長距離輸電，大范圍應(yīng)用仍然遙遙無期。
是什么限制了超導(dǎo)體的大范圍應(yīng)用？根本原因只有一個(gè)：溫度。
高溫超導(dǎo)體
材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體的溫度被稱為超導(dǎo)臨界溫度（Tc），低于這個(gè)Tc，超導(dǎo)體才能保持自身的超導(dǎo)性質(zhì)。
然而，絕大多數(shù)材料的Tc都非常低，基本都在-220℃以下，需要借助液氮或液氦等維持低溫環(huán)境。
想象一下，辛辛苦苦建造一條幾百公里的超導(dǎo)輸電線，還需要全程浸泡在液氮中冷卻，成本得多么夸張！
所以為了讓超導(dǎo)體得到更廣泛的應(yīng)用，必須要找到Tc更高、最好是室溫條件下（大約25℃左右）也能保持超導(dǎo)性質(zhì)的材料。
從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開始，物理學(xué)家對高Tc超導(dǎo)體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。
在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)最開始的70多年內(nèi)，Tc的上限連突破-240℃都很困難。還好后來物理學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Tc超過-173℃的超導(dǎo)體，目前超導(dǎo)體最高臨界溫度的記錄保持者是150萬個(gè)大氣壓下的硫化氫，Tc大約是-73℃，離理想的室溫還是有一定距離，如此高壓的條件也意味著難以實(shí)際應(yīng)用。
韓國的“室溫超導(dǎo)”
看到這，如果你還記得開頭的內(nèi)容的話，就發(fā)現(xiàn)這個(gè)韓國團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文有多么驚世駭俗了——他們宣稱發(fā)現(xiàn)了常壓下Tc大約是127℃的超導(dǎo)體，不僅把Tc帶到室溫，更是一下子直接提高了200度！
根據(jù)論文描述，他們把多種含鉛、銅和磷的材料經(jīng)過一定組合后分別混合加熱，制備得到一種摻雜銅的鉛-磷灰石晶體，并且稱之為LK-99。
論文提供的LK-99的照片 圖片來源：參考資料[1]
然后，他們測量了LK-99的物理性質(zhì)。
根據(jù)他們給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在127℃以下，給LK-99施加電流，在一定的電流范圍內(nèi)電壓都基本為零，表現(xiàn)出了零電阻的特性。
論文宣稱，溫度、電流和磁場達(dá)到一定臨界值后，零電阻現(xiàn)象也隨之消失，符合超導(dǎo)體的性質(zhì)。
在達(dá)到臨界電流前，LK-99的電壓趨于零，
表現(xiàn)出零電阻 圖片來源：參考資料[1]
除了零電阻以外，超導(dǎo)體的另外一個(gè)重要特性是完全抗磁性。
對此，團(tuán)隊(duì)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，還在網(wǎng)上發(fā)表了視頻演示。視頻中，在室溫常壓的環(huán)境下，一小片LK-99樣品放在一塊磁鐵上，一端貼近磁鐵，另一端自發(fā)抬升，仿佛受到了某種排斥力。
論文團(tuán)隊(duì)提供的視頻，以演示樣品的抗磁性
視頻來源：參考資料[1]
不過，視頻里的抬升并不像很多超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)那樣，完全懸浮在磁鐵上。事實(shí)上，部分強(qiáng)抗磁性的材料，比如鐵磁粉末壓塊，在強(qiáng)磁場下也會(huì)和磁體排斥，出現(xiàn)視頻中類似的抬升效果。
因此，單憑這段視頻，并不能證明LK-99擁有超導(dǎo)體那樣的完全抗磁性。
但論文團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LK-99在室溫常壓下是超導(dǎo)體。
他們還作出了理論解釋，認(rèn)為鉛磷灰石的部分鉛離子被銅離子替代后，體積微小地收縮導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而在內(nèi)部的交界面上產(chǎn)生了超導(dǎo)量子阱，從而產(chǎn)生了超導(dǎo)現(xiàn)象。
論文嘗試從結(jié)構(gòu)上解釋LK-99室溫超導(dǎo)的原理
圖片來源：參考資料[2]
不過，LK-99的結(jié)構(gòu)與之前發(fā)現(xiàn)的主流高溫超導(dǎo)體有顯著不同，他們給出的理論解釋暫時(shí)還只是一種猜測。
狼來了的故事
你會(huì)對室溫超導(dǎo)有“似曾相識”相識的感覺，可能是因?yàn)榫驮诮衲?月，曾經(jīng)有另一個(gè)和室溫超導(dǎo)相關(guān)的“重磅炸彈”，在公眾之中掀起了不小的波瀾。
當(dāng)時(shí)，在美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，美國羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團(tuán)隊(duì)宣稱，他們在1GPa（約等于1萬個(gè)大氣壓）的壓強(qiáng)下，在镥-氮-氫體系中材料中實(shí)現(xiàn)了室溫（約21℃）超導(dǎo)。
羅切斯特大學(xué)的蘭加·迪亞斯
圖片來源：羅切斯特大學(xué)
然而，在迪亞斯發(fā)布研究僅僅一周后，多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)就發(fā)表論文聲明，在針對镥化氫化合物的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。
盡管迪亞斯堅(jiān)持聲稱自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，但他在《自然》和《物理評論快報(bào)》（Physics Review Letters）上發(fā)表的文章接連因造假嫌疑被撤稿，他提出的室溫超導(dǎo)材料也被認(rèn)為證據(jù)不足而受到了廣泛質(zhì)疑。
镥-氫-氮材料的電阻隨溫度的變化曲線，溫度
低至2K都沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變 圖片來源：參考資料[3]
與今年3月迪亞斯的“發(fā)現(xiàn)”相比，這次韓國團(tuán)隊(duì)論文中的常壓下127℃的超導(dǎo)還要更加令人震驚。那么，韓國團(tuán)隊(duì)的“實(shí)驗(yàn)結(jié)果”，會(huì)不會(huì)和迪亞斯宣稱發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)一樣，最后變成爭議不斷的學(xué)術(shù)鬧劇呢？
值得一提的是，上次迪亞斯的論文一開始是發(fā)表在《自然》上，雖然當(dāng)時(shí)還沒有實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)，但至少經(jīng)過了一定的同行評議；而這次韓國團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上，完全沒有同行評議的過程。
arXiv發(fā)布論文的門檻很低，通常是研究人員在自己論文正式發(fā)表之前，先在arXiv上傳預(yù)稿證明原創(chuàng)性，論文往往是魚龍混雜，質(zhì)量難以得到保證。
其實(shí)不僅是迪亞斯，幾乎每年都有團(tuán)隊(duì)聲稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)的材料，可至今沒有一個(gè)得到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)證明。
2016年發(fā)表在arXiv的論文聲稱，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度在373K的室溫超導(dǎo)體。圖片來源：參考資料[4]
比如說，arXiv上至今還能搜到2016年上傳的一篇論文，聲稱發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在373K（也就是100℃）左右的化合物，也同樣有多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖和邁斯納效應(yīng)的效果圖，與此次韓國團(tuán)隊(duì)的論文如出一轍。
只不過，那篇論文沒有公布化合物的成分，實(shí)驗(yàn)過程也不嚴(yán)謹(jǐn)，在磁體上的懸浮還被質(zhì)疑真實(shí)性，最后沒有通過同行評議正式發(fā)表，也就再?zèng)]有引起更多的關(guān)注。
2016年的這篇論文中，同樣出現(xiàn)了類似邁斯納效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)圖，然而無法證明其真實(shí)性 。
圖片來源：參考資料[4]
相比之下，這次韓國團(tuán)隊(duì)不僅公布了他們使用的材料，還在論文中介紹了詳細(xì)的材料制備方法，而且材料成分比較簡單和明確。想要制備出相同的材料，拿來檢驗(yàn)韓國團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難度并不大。
事實(shí)上，已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)在著手制備材料了，相信很快就會(huì)有科研團(tuán)隊(duì)提供相同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證韓國團(tuán)隊(duì)的結(jié)果是否正確。
論文提供了LK-99的詳細(xì)制備過程 。圖片來源：參考資料[1]
LK-99材料究竟是劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，還是又一場學(xué)術(shù)烏龍，可能在未來的幾天內(nèi)就會(huì)揭曉。
作為圍觀群眾，我們應(yīng)該做的就是靜靜等待，讓子彈再飛一會(huì)。
參考文獻(xiàn)
[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008
[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037
[3] Ming X, Zhang Y J, Zhu X, et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy[J]. Nature, 2023: 1-3.
[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482
鳴謝：本文得到中國科學(xué)院物理研究所羅會(huì)仟研究員在專業(yè)上的指導(dǎo)和幫助，特此致謝！
策劃制作
來源丨果殼
作者丨中心星
責(zé)編丨金禹奮(實(shí)習(xí)生)
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