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全球争议的室温超导,真相是这样

“室温超导”的子弹,已经飞了两周。

7月22日,韩国科研团队在arVix论文预印本网站上连发两文,宣布发现了“第一个常温常压超导体”LK-99。它是一种掺杂了少量铜的铅磷灰石材料,使其可以在127摄氏度下表现出超导性。

一石激起千层浪,全世界物理实验室开始加班加点复盘。

资本市场同样大受影响。超导概念股迅速猛增,8月1日,国内超导个股永鼎股份、法尔胜、百利电气上涨20%触及涨停板。

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以法尔胜为例,该公司在最近的7个交易日里出现4日涨停,8月3日跌停,截至当天收盘价为5.34元/股。

至8月4日晚,民间科学网站SpaceBattles Forums中有用户统计了全球15个公开披露实验进度的高校及官方科研机构列表,以及7组个人身份复刻实验的名单。其中3个官方机构已初步验证并发布论文称目前未观测到LK99具有超导现象。其余大部分实验均仍在进一步验证的过程中。

学界与业界始终对这一波室温超导热潮呈冷态度,在接受南风窗记者采访时,多位业内人士表示不予置评。而如今随着多个实验表示“未证实其为超导体”,资本市场也慢慢冷却,回落到之前水平。

尽管如此,这一次室温超导的民间讨论热度却达到了前所未有的状态。B站和知乎成为科学爱好者们互相交流的主阵地,验证视频与科普帖层出不穷。

8月5日凌晨,B站一个关于室温超导的科普视频,实时观看人数1000+。

这场关于室温超导的热潮,仍在散发余温。

“坩埚里炼出现代物理圣杯?”

LK99的降临之所以能够引起大众的广泛关注和民科的集体沸腾,与其材料本身的“完美性质”密不可分。

自超导现象被人们发现后,该材料一直受制于温度与压力两个约束变量。

1908年,荷兰物理学家昂尼斯实现液化氦气,并获得了接近绝对零度的低温4.2K(约-269摄氏度)。1911年,昂尼斯等人用液氮冷却金属汞时发现,汞的电阻在温度降至4.2K左右时急剧下降至消失,具备完全导电性。

在两年后的诺贝尔奖领奖台上,昂尼斯描述低温下金属电阻的消失“不是逐渐的,而是突然的”。超导体自此诞生,人类开启了对超导的追逐和探索。

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荷兰物理学家昂尼斯

目前,超导材料在生产应用上,以低温超导和高温超导两种为主。此处高温低温的差别并非指平日里指的体感温度,而是指物理学上的“常规理论界限”40k。40k(零下-233.15摄氏度)以上称为高温环境。

大多数超导材料只有在低温环境(低于40k,即-233.15℃)下才能呈现出超导电性,这样的限制条件使超导很难大规模投入到生产应用中。而如果想要提高临界温度,可以施加高压。但是,高压下的材料体量微小,也不具备规模化应用的条件。

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低温超导

据韩国团队发布的论文,LK99打破了这个常规认知。

制备流程极其简单:五十块钱的原材料,一个坩埚就能炼。

韩国团队发布的第二篇论文说明了制备流程:黄铅矾和磷化亚铜研磨成粉末,在10^-3Torr(真空度测量)条件下,加热到925摄氏度,合成掺铜的铅-磷灰石——就是这样的材料,可以在常压127摄氏度以下实现超导。

几千万几亿的设备、科学界几十年做不出的突破,就这样“大道至简”地出现在大众视野中。

室温超导被称作“百年物理学的圣杯”,在韩国团队发布这一发现后,一时间,“手搓超导”,到“坩埚制造”……社交网络上各个科学爱好者掀起了一轮复现实验的热潮。8月1日下午,华中科技大学常海欣教授团队在b站发布LK99抗磁性效应的验证视频,视频中材料能够轻微悬浮,具有一定的抗磁性。播放量已超过一千万,弹幕上刷了满屏的“见证历史”。

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韩国研究团队提出的LK-99的制备过程具体包括三个步骤

“第四次工业革命”似乎已经近在眼前。

但事实真的是这样吗?

就论文和展示效果本身而言,南京大学超导物理和材料研究中心主任闻海虎认为,该成果更像是“超导假象”。他指出,论文试从三个层面论证超导的无电阻性和完全抗磁性,但都没有充分论证。

电阻测量方面,常用“四探针法”,但韩国实验中,电极是用4个尖锐的针尖测量的,这种测量有可能出现接触问题,并且从测试数据来看没有发现在低温下有稳定的低噪音零电阻态;

磁化数据方面确实看到抗磁,但超导本身具有独特的、特定形状的磁滞回线,该文章中没有发现这个数据信息;

磁悬浮方面,超导磁悬浮具有磁通钉扎特性,钉住后具有自稳定性,而视频演示的“磁悬浮”是一个需要支撑点的不稳定的悬浮状态。

北京高压科学研究中心主任毛河光教授在接受中国科学报的采访时也表示,即使全部材料能够在磁铁上方全部悬浮起来也不一定算超导,根据视频,韩国这个材料还不能全部悬浮。“韩国研究则从开始就有点像民科,或者像变魔术。”

反转之后再反转

除却对韩国团队论文研读和成果观测,该论文上传时的措辞也颇被诟病。

中国科学院科学传播研究中心副主任袁岚峰在一篇文章中指出,论文上传题目非常直白,直接为The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor(第一个室温常压超导体),而摘要的第一句直接说明“全世界第一次,我们成功地合成了室温常压超导体(临界温度超过400 K,即127℃”,在科学领域,也是一种不常见的表述,不够严谨客观。

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The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor,论文的研究团队全部来自韩国

但这样“吸引眼球”的文字和举足轻重的发现,文章一在arVix平台上发布,全世界各大实验室就开始进行重复实验。

7月31日,北京航空航天大学的研究团队在arVix预印本网站上发布论文,表示成功制备了LK-99材料,得到的样品X射线衍射图谱和韩国团队一致,但没有观察到“磁悬浮”现象和零电阻现象。

同日,印度国家物理实验室团队也称,“我们目前在925°C下合成的LK-99样品的结果,目前还不能证明在室温下具有大块超导性”。

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印度国家物理实验室团队称没有观察到样品有磁悬浮和电阻为零的现象

然而,几乎在同一时间,理论物理方面,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)发文表示,其使用了密度泛函理论(DFT)和GGA+U方法进行了计算,发现存在平坦能带,说明了LK99在理论层面可能具有超导性质。8月1日,中科院也发文表示,在理论层面计算了 LK99 的结构。

但这并不意味着LK99一定就是室温超导体。许多物质都具有平坦能带,这并非超导独一无二的属性,理论层面的推算无法就此盖棺定论。理论结构的可行性到实操验证也尚有一段距离。

实验方面,部分团队取得了一些进展,但也并非完全验证韩国团队的结论。华中科技大学常海欣团队在B站与知乎用户“半导体与物理”先后在显微镜下展示了一针尖大小LK-99样品的“磁悬浮”现象;东南大学孙悦团队中的1片样品观察到110K其电阻降低为零,但并未验证到样品“抗磁性”。孙悦教授也在8月3日发布解说视频,强调观测到110k零电阻并不是室温超导的证据,是否有室温超导,还有待进一步的探索和测量。

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东南大学团队实验结果

前者只能说明LK-99材料具有一定的抗磁性,而非完全抗磁性,进一步验证需要反复;后者只说明该材料可以进一步地进行研究,是一个可能的高温超导体。

目前,世界各国仍在进行重复实验证伪。而韩国学界自身似乎也就这篇论文陷入争议。

据钛媒体报道,8月2日,韩国“室温超导”论文作者李硕裴(Sukbae Lee)表示,论文存在缺陷,系团队中的一名成员、Young-Wan Kwon教授未经其他作者许可擅自发布,目前团队正向arXiv要求下架论文。目前尚未得到后续进展。

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韩国研究团队合成的LK-99超导体

而在此之前,这版论文就被发现图表有几处错漏。在7月29日,团队上传了第二版更正文章,但仍被指出y轴磁化率上还存在一处错误。

韩国超导和低温学会已于8月2日发布新闻公报,表示已经组建一个专家验证委员会。该验证委员会于8月3日对室温超导体LK-99进行了深入研究,并表示该物质尚未展现出超导特性中的重要现象——“迈斯纳效应”。

韩国超导低温学会要求Q-center提供LK-99的样品,截至目前,该团队尚未提供。韩国超导低温学会验证委员会表示,据目前论文和视频成果展现,韩国量子能源研究中心研究团队所合成的“LK-99”并非常温超导体。

为什么我们期待“室温超导”成真

这不是室温超导在今年的第一次“出圈”。

今年3月8日,Ranga Dias曾高调宣布自己实现了21°C的条件下的超导,引发各界瞩目。

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Ranga Dias

而仅仅八天之后,南京大学物理学院闻海虎团队就在预印本网站arXiv提交了一篇研究论文,内容长达16页,否定了迪亚斯的研究结论。论文结论称:“我们的实验清楚地表明,从环境压力到6.3GPa,温度低至10K(约-263摄氏度),镥氮氢材料LuH2±xNy中不存在超导性”。该论文于5月在《nature》正式发表。

迪亚斯的“室温超导”是需要在一万个大气压下完成实验,但韩国团队提出的,则是常温常压,如果证实,则是完全划时代的突破。

超导发展的一百多年,严格的低温环境和高昂的材料成本,都曾给超导技术的发展带来一定的阻碍。一从业者告诉南风窗,“近年来大家对超导的关注变高,也正是因为技术的不断突破,成本变低,更多的人才看到了超导”。

这次LK99凝聚态晶体之所以能引起如此大的争议和关注,非常重要的一个原因,就是它可能会以极低的成本,极大程度地推动新技术的变革。

如果一个超导体可在常温常压下就实现超导作用,不久的未来,我们就可以看到科幻小说走进现实:核聚变裂变技术全面更新,所有发电机和电路系统全部更新换代、高能加速器、容量更大的超级计算机,探测度更加灵敏的感测器。整个世界将会发生翻天覆地的变化。

往更小处看,医院里面用的核磁成像装置就将不需要用任何低温制冷液体,使用价格非常便宜,更大程度地惠及人类。

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核磁共振MRI

同时,室温超导体可以全面提升磁悬浮列车的安全性,会有成本更低、安全性能更高的磁悬浮列车投入运营。

最为基本的是,输电没有电阻,远距离传输也就不再需要高压电,对电的利用率达到百分百,不再有损耗之忧。

人们非常渴望一场新的技术变革。

室温超导到底有可能实现吗?闻海虎教授在接受搜狐科技采访时表示,除了LK-99,富氢材料也是一个值得继续探索的方向。以及利用磁交换作用实现高温度超导的研究也没有上限,甚至有达到室温的可能性。

上述从业者对南风窗表示,“关于室温超导,现在都还是一个很不确定的事情,需要理论上和技术上都进一步地验证、探索。唯一能知道的是,这将会是一条漫长的道路”。