人類(lèi)新紀(jì)元or新鬧劇？韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)2.5小時(shí)內(nèi)連發(fā)兩篇室溫超導(dǎo)論文
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）室溫超導(dǎo)，即在室溫條件下實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象最初是在接近絕對(duì)零度的極低溫度下觀察到的，大多數(shù)超導(dǎo)體也僅在接近絕對(duì)零度的溫度下工作。2022年，在Nature 期刊編輯委員會(huì)撤回極壓碳質(zhì)硫氫化物在267 GPa下的臨界轉(zhuǎn)變溫度為+15℃的報(bào)道之后，目前超導(dǎo)最高溫度由高壓下的氫化鑭保持，2019年美德兩國(guó)科學(xué)家組成的研究小組實(shí)驗(yàn)證實(shí)，高壓下的氫化鑭在-23℃下中具有超導(dǎo)性。
不過(guò)，近幾天全球超導(dǎo)圈子又熱鬧了起來(lái)，韓國(guó)量子能源研究中心（Q-centre ）、高麗大學(xué)等團(tuán)隊(duì)的研究人員在不到2.5小時(shí)內(nèi)連續(xù)提交了兩篇室溫超導(dǎo)論文，提交時(shí)間分別為7月22日7時(shí)51分和7月22日10時(shí)11分。兩篇文章作者人數(shù)不同，但有兩位重合。
這一次韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)似乎非常自信，他們認(rèn)為，“我們相信，我們的新進(jìn)展將是開(kāi)啟人類(lèi)新紀(jì)元的全新歷史事件”。
韓國(guó)版室溫常壓超導(dǎo)
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的兩篇論文發(fā)布在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上，尚未經(jīng)同行評(píng)議，目前也尚不清楚這些研究成果是否會(huì)已提交給期刊進(jìn)行同行評(píng)議。即便如此，這兩篇論文還是引起全球科技界的廣泛關(guān)注。
圖源：arXiv
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)在論文中指出，他們發(fā)現(xiàn)了全球首個(gè)室溫超導(dǎo)材料——改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)，命名為L(zhǎng)K-99，能夠在127℃(Tc≥400k)以下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。論文中被爭(zhēng)論最多的是，LK-99的臨界溫度（Tc）為127℃，并且是在常壓條件下，這意味著這種材料可以很容易在地球上的所有環(huán)境中使用。
這是一個(gè)非常大的研究跨越，要知道在此之前，硫化氫需要在150萬(wàn)個(gè)大氣壓、大約-73℃下保持超導(dǎo)性；氫化鑭需要在170萬(wàn)個(gè)大氣壓、大約-23℃下保持超導(dǎo)性。無(wú)論是溫度還是氣壓條件，和我們現(xiàn)在談?wù)摰氖覝爻撼瑢?dǎo)都有著巨大的差距。
也就是說(shuō)，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)不僅是取得了突破，而且將超導(dǎo)體的最高臨界溫度一下子提高了近150℃。
根據(jù)論文的描述，該團(tuán)隊(duì)把多種含鉛、銅和磷的材料經(jīng)過(guò)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，即LK-99。具體的制備過(guò)程包括以下三步：
·第一步：將氧化鉛和硫酸鉛粉末在陶瓷坩堝中以各50%的比例均勻混合，混合粉末在725℃的爐中加熱24小時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
·第二步：將銅和鉛粉末按比例在坩堝中混合，合成磷化亞銅，讓混合后的粉末處于相應(yīng)的真空封管狀態(tài)下，然后置于爐內(nèi)550℃加熱48小時(shí)。
·第三步：將上述兩步所得物質(zhì)磨成粉末，并在坩堝中混合，再將混合粉末真空封管，在925℃的爐內(nèi)加熱5至20小時(shí)。
圖源：韓國(guó)團(tuán)隊(duì)論文
然后，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量LK-99的物理特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，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。韓國(guó)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，LK-99中之所以會(huì)出現(xiàn)這種超導(dǎo)情況，是由微小的體積收縮（0.48%）導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形變引起的。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，正是這種結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致了這種新材料非凡的超導(dǎo)性，而非溫度和壓力等外部因素。
圖源：韓國(guó)團(tuán)隊(duì)論文
當(dāng)然，這項(xiàng)研究目前還有很多需要驗(yàn)證的地方。比如，第一篇論文的作者們就寫(xiě)到，到目前為止，超導(dǎo)性與材料結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系還沒(méi)有得到很好的闡明。同時(shí)，業(yè)內(nèi)人士也強(qiáng)調(diào)，在科學(xué)上被廣泛接受和認(rèn)可前，還需要同行進(jìn)一步嚴(yán)格和獨(dú)立的驗(yàn)證。尤其是，科學(xué)界需要將這一成果復(fù)現(xiàn)出來(lái)。
韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)表示，他們理解外界對(duì)其研究成果的質(zhì)疑，也支持任何想自行制備并測(cè)試LK-99超導(dǎo)性的人。
雖然韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)布不久，不過(guò)確實(shí)已經(jīng)有人著手開(kāi)始驗(yàn)證了。比如在國(guó)內(nèi)的知乎平臺(tái)上，就已經(jīng)有答主開(kāi)始動(dòng)手復(fù)現(xiàn)材料了。知乎答主“半導(dǎo)體與物理”表示，他們小組已經(jīng)開(kāi)始做試驗(yàn)了。對(duì)此，網(wǎng)友紛紛表示，期待復(fù)現(xiàn)的結(jié)果。
確實(shí)，在韓國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)布論文之前，就已經(jīng)有室溫超導(dǎo)項(xiàng)目被“打假”。今年3月8日，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家 Ranga Dias及其團(tuán)隊(duì)在全球頂級(jí)科研期刊《Nature》上發(fā)表了題為“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”的研究論文。Dias團(tuán)隊(duì)聲稱(chēng)在氮摻雜氫化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH）體系中實(shí)現(xiàn)了近室溫超導(dǎo)（Tc= 294 K, 21 ℃）。
隨后不久，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聞海虎教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)直接否定美國(guó)羅徹斯特大學(xué)Ranga Dias團(tuán)隊(duì)關(guān)于“室溫超導(dǎo)”的最新研究結(jié)果。
聞海虎教授團(tuán)隊(duì)指出，零電阻行為和完全抗磁性并沒(méi)有被成功復(fù)現(xiàn)，這表明在該生長(zhǎng)條件下的同種材料LuH2±xNy，在低于40.1 GPa 的壓力下，并不存在近室溫超導(dǎo)。
人類(lèi)對(duì)室溫超導(dǎo)的企盼
超導(dǎo)有很多奇特的特性，比如電阻為0，完全抗磁性等。人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)是在1911年， Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K（-268.97℃）時(shí)用液氦冷卻汞時(shí)發(fā)現(xiàn)汞的電阻為零，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性規(guī)律。隨后的1933年，菲爾德和邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體冷卻達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，不僅電阻完全消失，還會(huì)出現(xiàn)抗磁性。
一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)于超導(dǎo)的研究一直在持續(xù)。并且，過(guò)去很多年里美日的研究團(tuán)隊(duì)一直都處于領(lǐng)先的位置，日本在1988年實(shí)現(xiàn)液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，臨界溫度為-165.15℃。過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，大概有10位科學(xué)家憑借在超導(dǎo)領(lǐng)域的研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
21世紀(jì)，超導(dǎo)材料被各國(guó)定義為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略材料，在電力、航天、計(jì)算機(jī)、核物理等方面有重要的應(yīng)用，應(yīng)用案例包括粒子加速器里的超導(dǎo)磁體，電力行業(yè)里面的超導(dǎo)電纜，用于風(fēng)力發(fā)電的超導(dǎo)電機(jī)，還有我們熟悉的磁懸浮等。并且，在近來(lái)大熱的量子計(jì)算領(lǐng)域，超導(dǎo)材料也是重要材料，可以用于制備超導(dǎo)量子干涉儀。不過(guò)，目前前沿應(yīng)用還是用的常規(guī)超導(dǎo)材料，包括低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)，不過(guò)都需要液氦或液氮作為輔助溫度條件。
室溫超導(dǎo)是科學(xué)家一直追逐的目標(biāo)，如果可以研究出常溫超導(dǎo)材料。那么，超導(dǎo)材料的應(yīng)用將遍布每一個(gè)用電的領(lǐng)域，給全社會(huì)帶來(lái)顛覆性的改變。想象一下，在常壓和室溫條件下，超導(dǎo)體就可以用零電阻傳輸電流，這無(wú)疑是一場(chǎng)意義非凡的能源革命。
不過(guò)，室溫超導(dǎo)即便在復(fù)現(xiàn)之后也面臨著量產(chǎn)的問(wèn)題，目前探索室溫超導(dǎo)所用到的銅、銀、釔、釔銅氧等材料價(jià)格昂貴，并且超導(dǎo)電流密度仍然較低，這些都是需要進(jìn)一步研究的地方。
寫(xiě)在最后
每一次室溫超導(dǎo)的突破都會(huì)引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，一個(gè)重要的原因就是，各個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)領(lǐng)域以及國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域都能夠受益于室溫超導(dǎo)，這是一個(gè)普惠全社會(huì)的能源革命技術(shù)，可以說(shuō)是開(kāi)啟了人類(lèi)社會(huì)的新紀(jì)元。不過(guò)，室溫超導(dǎo)已經(jīng)有了被打假的案例，希望韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)走出的這一步是堅(jiān)實(shí)的。
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