人類新紀元or新鬧劇？韓國研究團隊2.5小時內(nèi)連發(fā)兩篇室溫超導論文
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）室溫超導，即在室溫條件下實現(xiàn)的超導現(xiàn)象。超導現(xiàn)象最初是在接近絕對零度的極低溫度下觀察到的，大多數(shù)超導體也僅在接近絕對零度的溫度下工作。2022年，在Nature 期刊編輯委員會撤回極壓碳質(zhì)硫氫化物在267 GPa下的臨界轉(zhuǎn)變溫度為+15℃的報道之后，目前超導最高溫度由高壓下的氫化鑭保持，2019年美德兩國科學家組成的研究小組實驗證實，高壓下的氫化鑭在-23℃下中具有超導性。
不過，近幾天全球超導圈子又熱鬧了起來，韓國量子能源研究中心（Q-centre ）、高麗大學等團隊的研究人員在不到2.5小時內(nèi)連續(xù)提交了兩篇室溫超導論文，提交時間分別為7月22日7時51分和7月22日10時11分。兩篇文章作者人數(shù)不同，但有兩位重合。
這一次韓國研究團隊似乎非常自信，他們認為，“我們相信，我們的新進展將是開啟人類新紀元的全新歷史事件”。
韓國版室溫常壓超導
韓國團隊的兩篇論文發(fā)布在預印本網(wǎng)站arXiv上，尚未經(jīng)同行評議，目前也尚不清楚這些研究成果是否會已提交給期刊進行同行評議。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
韓國團隊在論文中指出，他們發(fā)現(xiàn)了全球首個室溫超導材料——改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)，命名為LK-99，能夠在127℃(Tc≥400k)以下表現(xiàn)為超導體。論文中被爭論最多的是，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。
這是一個非常大的研究跨越，要知道在此之前，硫化氫需要在150萬個大氣壓、大約-73℃下保持超導性；氫化鑭需要在170萬個大氣壓、大約-23℃下保持超導性。無論是溫度還是氣壓條件，和我們現(xiàn)在談?wù)摰氖覝爻撼瑢Ф加兄薮蟮牟罹唷?/div>
也就是說，韓國團隊不僅是取得了突破，而且將超導體的最高臨界溫度一下子提高了近150℃。
根據(jù)論文的描述，該團隊把多種含鉛、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，即LK-99。具體的制備過程包括以下三步：
·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小時發(fā)生化學反應(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。
·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。
圖源：韓國團隊論文
然后，他們通過實驗來測量LK-99的物理特性。實驗結(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。韓國團隊認為，LK-99中之所以會出現(xiàn)這種超導情況，是由微小的體積收縮（0.48%）導致的結(jié)構(gòu)形變引起的。研究團隊認為，正是這種結(jié)構(gòu)的影響，導致了這種新材料非凡的超導性，而非溫度和壓力等外部因素。
圖源：韓國團隊論文
當然，這項研究目前還有很多需要驗證的地方。比如，第一篇論文的作者們就寫到，到目前為止，超導性與材料結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系還沒有得到很好的闡明。同時，業(yè)內(nèi)人士也強調(diào)，在科學上被廣泛接受和認可前，還需要同行進一步嚴格和獨立的驗證。尤其是，科學界需要將這一成果復現(xiàn)出來。
韓國研究團隊表示，他們理解外界對其研究成果的質(zhì)疑，也支持任何想自行制備并測試LK-99超導性的人。
雖然韓國團隊的論文發(fā)布不久，不過確實已經(jīng)有人著手開始驗證了。比如在國內(nèi)的知乎平臺上，就已經(jīng)有答主開始動手復現(xiàn)材料了。知乎答主“半導體與物理”表示，他們小組已經(jīng)開始做試驗了。對此，網(wǎng)友紛紛表示，期待復現(xiàn)的結(jié)果。
確實，在韓國團隊發(fā)布論文之前，就已經(jīng)有室溫超導項目被“打假”。今年3月8日，美國羅切斯特大學的物理學家 Ranga Dias及其團隊在全球頂級科研期刊《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團隊聲稱在氮摻雜氫化镥（nitrogen-doped lutetium hydride, NDLH）體系中實現(xiàn)了近室溫超導（Tc= 294 K, 21 ℃）。
隨后不久，南京大學固體微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室聞海虎教授領(lǐng)導的科研團隊直接否定美國羅徹斯特大學Ranga Dias團隊關(guān)于“室溫超導”的最新研究結(jié)果。
聞?；⒔淌趫F隊指出，零電阻行為和完全抗磁性并沒有被成功復現(xiàn)，這表明在該生長條件下的同種材料LuH2±xNy，在低于40.1 GPa 的壓力下，并不存在近室溫超導。
人類對室溫超導的企盼
超導有很多奇特的特性，比如電阻為0，完全抗磁性等。人類第一次發(fā)現(xiàn)超導是在1911年， Heike Kamer-Onnes在溫度4.2K（-268.97℃）時用液氦冷卻汞時發(fā)現(xiàn)汞的電阻為零，發(fā)現(xiàn)了超導電性規(guī)律。隨后的1933年，菲爾德和邁斯納發(fā)現(xiàn)超導體冷卻達到轉(zhuǎn)變溫度時，不僅電阻完全消失，還會出現(xiàn)抗磁性。
一個多世紀以來，人們對于超導的研究一直在持續(xù)。并且，過去很多年里美日的研究團隊一直都處于領(lǐng)先的位置，日本在1988年實現(xiàn)液氮溫區(qū)超導體，臨界溫度為-165.15℃。過去的一個世紀里，大概有10位科學家憑借在超導領(lǐng)域的研究獲得了諾貝爾獎。
21世紀，超導材料被各國定義為國家級戰(zhàn)略材料，在電力、航天、計算機、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磁體，電力行業(yè)里面的超導電纜，用于風力發(fā)電的超導電機，還有我們熟悉的磁懸浮等。并且，在近來大熱的量子計算領(lǐng)域，超導材料也是重要材料，可以用于制備超導量子干涉儀。不過，目前前沿應(yīng)用還是用的常規(guī)超導材料，包括低溫超導和高溫超導，不過都需要液氦或液氮作為輔助溫度條件。
室溫超導是科學家一直追逐的目標，如果可以研究出常溫超導材料。那么，超導材料的應(yīng)用將遍布每一個用電的領(lǐng)域，給全社會帶來顛覆性的改變。想象一下，在常壓和室溫條件下，超導體就可以用零電阻傳輸電流，這無疑是一場意義非凡的能源革命。
不過，室溫超導即便在復現(xiàn)之后也面臨著量產(chǎn)的問題，目前探索室溫超導所用到的銅、銀、釔、釔銅氧等材料價格昂貴，并且超導電流密度仍然較低，這些都是需要進一步研究的地方。
寫在最后
每一次室溫超導的突破都會引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，一個重要的原因就是，各個戰(zhàn)略重點領(lǐng)域以及國計民生領(lǐng)域都能夠受益于室溫超導，這是一個普惠全社會的能源革命技術(shù)，可以說是開啟了人類社會的新紀元。不過，室溫超導已經(jīng)有了被打假的案例，希望韓國研究團隊走出的這一步是堅實的。
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