室温超导：无价之宝！

还记得《阿凡达》里的潘多拉星球吗？那里有着富饶的室温超导矿石——Unobtanium，它足以让一座座大山悬浮在空中。人类不惜一切代价也要掠夺过来。这足以说明，室温超导材料堪称无价之宝。

 

自韩国研究团队宣布成功合成了世界上第一个室温常压超导体LK-99，“室温超导”无疑是近期全球最热门的话题之一。该事件引起全球广泛关注的同时质疑声随之而来，掀起一股验证“复现潮”。为何该项研究会令全球为之沸腾？

 

超导现象的发现被认为是20世纪最伟大的发明之一。如今距离1911年荷兰科学家发现第一个超导体（金属汞Hg）已经过去了112年，自发现超导体以来，100多年的时间里，科学家们一直在寻找室温超导体。

 

什么是室温超导？

室温超导，指的是在地球室温环境下（通常默认是300 K，也即27℃）就能够实现零电阻和完全抗磁性的超导材料。也就是说，室温超导材料对应的超导临界温度必须在300 K以上。

 

寻找室温超导材料，有三条路可以尝试：（1）合成新的材料；（2）改进现有材料；（3）特殊条件调控材料[1]。显然第二条路相对而言更容易实现，即对高温超导材料进行化学掺杂等改造，以期获得更高临界温度的超导体。而合成新材料是最难的。

 

开启人类新纪元

你知道，室温超导如果真的被发现，会给人类带来多大的改变？

 

有人分析认为，如果室温常压超导最终实现商用，其巨大的价值很有可能开启第四次工业革命，开启人类新纪元。毫不夸张地说，能与之相提并论可能是人类学会用火、人类发明了蒸汽机和人类发明了电。

 

“室温超导”带来的无损世界犹如科幻电影。

 

电力输送将不再出现损耗，不再需要变电站，轻松实现超长距离无损耗输电，产能和利用效率将会大大提升，全球的电力系统或将重建。能源格局将改变，依靠石油和天然气的国家将失去核心竞争力。

 

交通方式彻底改变。磁悬浮列车普及，高铁成为过去式，交通效率得到飞跃式提升；燃油汽车被电动汽车取代，高效的能源存储让电动汽车充电五分钟就能跑几千公里。

 

所有电子产品不再出现发热现象、无需考虑散热问题，电阻损耗问题得到解决，电池体积能变得更小。手机充电一次就能待机两年甚至到报废。手机也能拥有小型超算能力，算力的瓶颈将被突破，人工智能和数字技术将迎来爆发式发展。

 

超导体实现常温应用，如超导发电、超导电器、量子计算机、磁悬浮交通......将使整个人类社会产生重大改变，现有的科技可能面临颠覆。

 

再掀验证“复现潮”

在韩国团队宣布发现室温超导LK-99的3个多月前，就有一位罗切斯特大学的Ranga Dias教授宣称自己实现了室温超导，但两个月后，就被南京大学闻海虎教授团队发表论文给推翻，Dias的文章之后也被撤稿。

 

如今韩国研究团队宣布实现了室温常压超导，面临各界的质疑。Ranga Dias之前在《Nature》上通过评审正式发表了论文，事前还在美国物理学会3月会议上作出正式的学术报告，而韩国研究团队只是在学术预印本平台arXiv上传了一篇文章。据媒体报道的最新消息显示，韩国研究团队的成员表示，论文存在缺陷，系团队中的一名成员擅自发布，目前团队已要求下架论文。

 

 

在此之前，宣称实现“室温超导体”的研究有很多：

2016年，Ivan Zahariev Kostadinov声称找到了临界温度为373 K的超导体，但没有公布这个超导体的成分结构[2]；

同年，一队科研人员声称在巴西某个石墨矿里找到了室温超导体，并且做了相关研究并正式发表了论文[3]；

2018年，2位印度的科研人员声称在金纳米阵列里的纳米银粉存在236 K甚至是室温的超导电性，并且有相关的实验数据[4]。

......

这些所谓的“室温超导体”都没能被重复实验来验证，很难经得住推敲和考证。

 

据悉LK-99是由铅磷灰石稍加变动的六方结构，引入了少量的铜。

目前，专业人员普遍认为LK-99的制备过程似乎相当简单。样品合成过程具体可概括为三个步骤：

①将氧化铅和硫酸铅粉末以各50%的比例在陶瓷坩埚中均匀混合，然后将混合粉末置于725℃的炉中加热24小时发生化学反应。

②将铜和铅粉末按比例在坩埚中混合，合成磷化亚铜；让混合后的粉末处于相应的真空封管状态下，然后置于炉内550℃加热48小时。在此过程中，混合材料发生相变，形成磷化亚铜晶体。

③将上述两步所得物质磨成粉末，并在坩埚中混合，再将混合粉末真空封管，置于925℃的炉中加热5~20小时。

摘自韩国科学家论文

 

混合粉末反应转化为最终材料，即一种灰黑色的铜掺杂的铅-磷灰石，这种多晶材料也就是其团队命名的LK-99。

 

鉴于上述新材料制备简单，目前已有其他研究团队进行实验复现：

北航的研究人员称实验结果得到的LK-99样品X射线衍射图谱和韩国团队一致，但未发现超导性；

美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）研究员使用了密度泛函理论（DFT）和GGA+U方法进行了计算，计算结果显示，LK-99可能存在超导性能；

华中科技大学研究人员初步复现韩国室温超导材料，已证明抗磁性，还未证明超导性。

......

总结LK-99首批重复实验结果：理论可行但未复现悬浮或超导。

 

其他研究组的实验已经在路上，很快重复实验就将揭晓谜底。若LK-99被复现成功，这将是超导领域革命性的进步。

 

不过即使LK-99室温下超导性真的被验证存在，室温超导材料从攻克成功到规模化应用还需要很长一段时间。