能量守恒無損耗？韓國發(fā)現(xiàn)“室溫超導”這次靠譜嗎？

來自韓國的物理學家團隊，近日在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上傳了兩篇論文，宣稱發(fā)現(xiàn)了首個室溫常壓下的超導體。

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，一定會產(chǎn)生這樣的疑問：怎么又是室溫超導？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

超導是材料在一定溫度下電阻變?yōu)?的物理現(xiàn)象；

超導體的應(yīng)用有望為科技帶來巨大變革，但苦于超導轉(zhuǎn)變溫度過低，應(yīng)用受限；

室溫條件下的超導體是超導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)果需保持謹慎，還需進一步實驗驗證。

超導是什么？

物理上，超導（superconductivity）是材料在低于一定溫度時電阻變?yōu)?的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)變后的材料稱為超導體（superconductor）。

中學課本里提到過，在一個電路中，導線里的電荷在電壓驅(qū)動下會像跑步運動員一樣運動，從而形成電流，但經(jīng)過導體的電阻會阻礙它們的運動。

如果電路由超導體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。在一個超導鉛制成的環(huán)路中，可以連續(xù)幾個月都觀測不到電流有減弱的跡象。

超導現(xiàn)象由昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)

圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)

除了電阻為0以外，超導體還有另一個奇特的性質(zhì)，稱為完全抗磁性。材料轉(zhuǎn)變成超導體后，就好像武僧使出了金鐘罩，體內(nèi)的磁場會“排斥”掉幾乎所有的磁通量，磁力線無法穿透超導體。

這個現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應(yīng)。

根據(jù)超導體的完全抗磁性，可以做個有趣的實驗：在超導體的正下方放置一個磁體，磁體在周圍產(chǎn)生磁場，而超導體的內(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。

如果排斥力和超導體的重力相平衡，就能讓超導體懸浮在半空中，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

后來物理學家總結(jié)，要看一個材料是不是超導體，就看它是否同時具有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的特性，兩者缺一不可。

因為自身特殊的性質(zhì)，超導體引發(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，使用超導體材料進行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費，提高能源利用效率；

超導線運用于發(fā)電機、電動機能大幅提高電流強度和輸出功率；

超導體制作超大規(guī)模集成電路的連線，能解決散熱問題，提高運算速度。

超導體的現(xiàn)實應(yīng)用，有可能為科學技術(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)實很骨感。直到目前為止，超導體的實際應(yīng)用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導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。

是什么限制了超導體的大范圍應(yīng)用？根本原因只有一個：溫度。

高溫超導體

材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w的溫度被稱為超導臨界溫度（Tc），低于這個Tc，超導體才能保持自身的超導性質(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）也能保持超導性質(zhì)的材料。

從發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象開始，物理學家對高Tc超導體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。

在發(fā)現(xiàn)超導最開始的70多年內(nèi)，Tc的上限連突破-240℃都很困難。還好后來物理學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)Tc超過-173℃的超導體，目前超導體最高臨界溫度的記錄保持者是150萬個大氣壓下的硫化氫，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際應(yīng)用。

韓國的“室溫超導”

看到這，如果你還記得開頭的內(nèi)容的話，就發(fā)現(xiàn)這個韓國團隊發(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)他們給出的實驗結(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、電流和磁場達到一定臨界值后，零電阻現(xiàn)象也隨之消失，符合超導體的性質(zhì)。

在達到臨界電流前，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，超導體的另外一個重要特性是完全抗磁性。

對此，團隊提供了實驗數(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。

論文團隊提供的視頻，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體的邁斯納效應(yīng)那樣，完全懸浮在磁鐵上。事實上，部分強抗磁性的材料，比如鐵磁粉末壓塊，在強磁場下也會和磁體排斥，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擁有超導體那樣的完全抗磁性。

但論文團隊認為，他們的一系列實驗驗證了LK-99在室溫常壓下是超導體。

他們還作出了理論解釋，認為鉛磷灰石的部分鉛離子被銅離子替代后，體積微小地收縮導致材料結(jié)構(gòu)變形，進而在內(nèi)部的交界面上產(chǎn)生了超導量子阱，從而產(chǎn)生了超導現(xiàn)象。

論文嘗試從結(jié)構(gòu)上解釋LK-99室溫超導的原理

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)的主流高溫超導體有顯著不同，他們給出的理論解釋暫時還只是一種猜測。

狼來了的故事

你會對室溫超導有“似曾相識”相識的感覺，可能是因為就在今年3月，曾經(jīng)有另一個和室溫超導相關(guān)的“重磅炸彈”，在公眾之中掀起了不小的波瀾。

當時，在美國物理學會會議上，美國羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團隊宣稱，他們在1GPa（約等于1萬個大氣壓）的壓強下，在镥-氮-氫體系中材料中實現(xiàn)了室溫（約21℃）超導。

羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯

圖片來源：羅切斯特大學

然而，在迪亞斯發(fā)布研究僅僅一周后，多個實驗團隊就發(fā)表論文聲明，在針對镥化氫化合物的重復(fù)實驗中沒有發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。

盡管迪亞斯堅持聲稱自己的實驗結(jié)果真實可信，但他在《自然》和《物理評論快報》（Physics Review Letters）上發(fā)表的文章接連因造假嫌疑被撤稿，他提出的室溫超導材料也被認為證據(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，這次韓國團隊論文中的常壓下127℃的超導還要更加令人震驚。那么，韓國團隊的“實驗結(jié)果”，會不會和迪亞斯宣稱發(fā)現(xiàn)室溫超導一樣，最后變成爭議不斷的學術(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，雖然當時還沒有實驗復(fù)現(xiàn)，但至少經(jīng)過了一定的同行評議；而這次韓國團隊的論文發(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。

其實不僅是迪亞斯，幾乎每年都有團隊聲稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導的材料，可至今沒有一個得到嚴謹?shù)膶嶒炞C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)了超導轉(zhuǎn)變溫度在373K（也就是100℃）左右的化合物，也同樣有多個實驗數(shù)據(jù)圖和邁斯納效應(yīng)的效果圖，與此次韓國團隊的論文如出一轍。

只不過，那篇論文沒有公布化合物的成分，實驗過程也不嚴謹，在磁體上的懸浮還被質(zhì)疑真實性，最后沒有通過同行評議正式發(fā)表，也就再沒有引起更多的關(guān)注。

2016年的這篇論文中，同樣出現(xiàn)了類似邁斯納效應(yīng)的實驗圖，然而無法證明其真實性 。

圖片來源：參考資料[4]

相比之下，這次韓國團隊不僅公布了他們使用的材料，還在論文中介紹了詳細的材料制備方法，而且材料成分比較簡單和明確。想要制備出相同的材料，拿來檢驗韓國團隊的實驗結(jié)果，難度并不大。

事實上，已經(jīng)有團隊在著手制備材料了，相信很快就會有科研團隊提供相同條件下的實驗結(jié)果，驗證韓國團隊的結(jié)果是否正確。

論文提供了LK-99的詳細制備過程 。圖片來源：參考資料[1]

LK-99材料究竟是劃時代的發(fā)現(xiàn)，還是又一場學術(shù)烏龍，可能在未來的幾天內(nèi)就會揭曉。

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。

參考文獻

[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：本文得到中國科學院物理研究所羅會仟研究員在專業(yè)上的指導和幫助，特此致謝！

策劃制作

來源丨果殼

作者丨中心星

責編丨金禹奮(實習生)