LK-99室溫超導(dǎo)疑云背后：低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化已較為成熟

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21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道 倪雨晴 深圳報(bào)道

在驚喜和反轉(zhuǎn)、質(zhì)疑和駁斥、希望和失望之間，超導(dǎo)研究逐步走入大眾視野。

最新的篇章是8月4日，LK-99論文作者之一Hyun-Tak Kim又放出了一段視頻，展示了LK-99樣本的懸浮狀態(tài)。就在前一天8月3日，韓國(guó)超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)直接表示LK-99并非室溫超導(dǎo)體，因?yàn)樵撐镔|(zhì)尚未展現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，即完全抗磁性。

然而，看起來(lái)針鋒相對(duì)的兩邊，雙雙受到外界的質(zhì)問(wèn)。從論文作者的新視頻看，樣本形狀不同之外，似乎和此前的懸浮視頻沒有本質(zhì)區(qū)別；韓國(guó)學(xué)會(huì)的判斷主要是理論的解讀，并沒有拿到樣本進(jìn)行驗(yàn)證。

因此，圍繞著LK-99的爭(zhēng)議仍在繼續(xù)，戲劇化的發(fā)展方式也令真相撲朔迷離。全球科研人員還在設(shè)法解析，在arXiv網(wǎng)站上關(guān)于LK-99的研究論文不斷上線。其中既有理論模擬計(jì)算派，也有實(shí)驗(yàn)派，國(guó)內(nèi)多所高校就制作了樣品嘗試復(fù)現(xiàn)。

“我們并沒有證實(shí)，也沒有發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，但是我們?cè)?10K以下成功地觀測(cè)到了零電阻，這可能是它(LK-99)存在超導(dǎo)電性的一個(gè)很重要的證據(jù)。”8月3日凌晨，東南大學(xué)物理學(xué)院教授孫悅在B站上更新了LK-99研究成果視頻，拋出了最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

需要指出的是，110K約為零下163.15℃，屬于高溫超導(dǎo)的范疇，而一般臨界溫度高于300K(26.85℃)的超導(dǎo)體才被稱為室溫超導(dǎo)體，所以零電阻的結(jié)果并沒有證明LK-99是室溫超導(dǎo)體。

同時(shí)值得注意的是，東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)并未檢測(cè)到完全抗磁性，這是超導(dǎo)體的另一個(gè)重要屬性。所以綜合而言，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，并不能確認(rèn)LK-99(Pb_10-_xCu_x(PO_4)_6O)就是超導(dǎo)體。

雖然大家期待超導(dǎo)技術(shù)帶來(lái)產(chǎn)業(yè)代際革命，但是目前來(lái)看，還沒有一家的復(fù)現(xiàn)能夠證明韓國(guó)團(tuán)隊(duì)提出的LK-99為室溫超導(dǎo)材料。

由于LK-99的實(shí)驗(yàn)制備相對(duì)簡(jiǎn)單，當(dāng)前全球多家實(shí)驗(yàn)室還在嘗試復(fù)制驗(yàn)證中，所以近期還將有更多實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布，復(fù)現(xiàn)的熱潮還在持續(xù)。假設(shè)最終驗(yàn)證了韓國(guó)團(tuán)隊(duì)合成的LK-99真的是室溫超導(dǎo)體，從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)距離。

回顧來(lái)看，近年來(lái)室溫超導(dǎo)頻頻出圈，引發(fā)熱議不斷，但同時(shí)也上演了多次“狼來(lái)了”，目前并未看到商業(yè)化的可行性。

另一方面，超導(dǎo)的應(yīng)用其實(shí)早已在我們身邊，比如核磁共振、超導(dǎo)濾波器、高能粒子加速器、超導(dǎo)量子計(jì)算、超導(dǎo)磁懸浮列車等，涉及到能源、醫(yī)療、通信、交通等重要領(lǐng)域。

一位超導(dǎo)研究專家告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者：“發(fā)不發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體都不會(huì)影響現(xiàn)在的超導(dǎo)應(yīng)用發(fā)展，因?yàn)椴皇撬谐瑢?dǎo)體都具備實(shí)用性，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展的超導(dǎo)公司都是在發(fā)展實(shí)用超導(dǎo)材料的工業(yè)化和商業(yè)化。”

驗(yàn)證關(guān)鍵指標(biāo)

超導(dǎo)體存在零電阻、完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))和量子隧穿效應(yīng)三大特性，其中，零電阻和完全抗磁性是兩大主要特征，兩者缺一不可。

以零電阻為例，所謂超導(dǎo)體是指超級(jí)能夠?qū)щ姷牟牧?，可以超?jí)到在某一溫度下電阻為零。這也意味著電流通過(guò)不會(huì)產(chǎn)生熱損耗，發(fā)熱、散熱等問(wèn)題都將得到解決，大規(guī)模應(yīng)用將為電力等能源行業(yè)帶來(lái)巨大革命。只是現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)要么需要溫度很低，要么需要很大的壓力，成本非常高，業(yè)界也一直在追求更高的臨界溫度。

再看完全抗磁性，是指磁場(chǎng)中的金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是德國(guó)科學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)的，因此又稱為邁斯納效應(yīng)。他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，放在磁場(chǎng)中的球形的錫在過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)的時(shí)候，錫球周圍的磁場(chǎng)都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到導(dǎo)體之外。

在近期的復(fù)現(xiàn)潮中，科學(xué)家們就致力于驗(yàn)證LK-99是否同時(shí)具備零電阻和完全抗磁性。目前公布的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，都只呈現(xiàn)了某一種特性，比如華中科技大學(xué)的視頻展示的，是LK-99的抗磁性，但并未觀測(cè)到零電阻屬性；東南大學(xué)成功觀測(cè)到了110K以下的零電阻，但是并沒有發(fā)現(xiàn)完全抗磁性，都無(wú)法證明LK-99是室溫超導(dǎo)體。

盡管包括華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的多個(gè)研究組織復(fù)現(xiàn)了LK-99的抗磁性，但是在磁體上懸浮并不意味著它就是超導(dǎo)體。

有超導(dǎo)業(yè)內(nèi)人士解析道，物質(zhì)具有較強(qiáng)的抗磁性就可能在磁體上懸浮，但不意味著能懸浮的物質(zhì)具有完全抗磁性。超導(dǎo)體具有完全抗磁性，完全抗磁性一定導(dǎo)致零電阻。第一類超導(dǎo)體具有完全抗磁性，所以在外磁場(chǎng)小于臨界場(chǎng)時(shí)一定會(huì)體現(xiàn)零電阻特性，第二類超導(dǎo)體在外磁場(chǎng)小于上臨界場(chǎng)時(shí)，也一定具有零電阻特性。所以，單純具有磁懸浮特性，而不同時(shí)具有零電阻特性的物質(zhì)不是超導(dǎo)體。

根據(jù)超導(dǎo)體的性質(zhì)和特點(diǎn)，可以分為第一類和第二類超導(dǎo)體，第一類超導(dǎo)體的典型代表是鉛、鋁等金屬，第二類超導(dǎo)體的典型代表是銅氧化物超導(dǎo)體。而不管是哪一類型的超導(dǎo)體，都必定同時(shí)具備零電阻和完全抗磁性的特性。

一位投資人士向21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者表示：“合成出抗磁材料，不代表就能實(shí)現(xiàn)了常溫超導(dǎo)。抗磁性只是超導(dǎo)體的必要條件——超導(dǎo)體都有抗磁性，但是有抗磁性的不一定都是超導(dǎo)體?，F(xiàn)在所謂‘復(fù)現(xiàn)’均指復(fù)現(xiàn)了抗磁性，接下來(lái)的‘電阻為零’實(shí)驗(yàn)才是重頭戲?！?/p>

而在東南大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，零電阻是否完全因?yàn)槌瑢?dǎo)形成也還沒有定論。孫悅談道：“我們一共測(cè)了6片樣品，只在一片樣品里觀測(cè)到了零電阻，其他樣品大多數(shù)產(chǎn)生的是半導(dǎo)體行為。此外，對(duì)觀測(cè)到零電阻的樣品進(jìn)行了完全抗磁性測(cè)量，但是并沒有觀測(cè)到完全抗磁性，所以我們猜測(cè)樣品里零電阻如果是超導(dǎo)造成的話，超導(dǎo)的組份應(yīng)該還是比較低的?！?/p>

孫悅著重強(qiáng)調(diào)：“此次觀測(cè)到了LK-99材料在110K以下的零電阻，但這并不是室溫超導(dǎo)的證據(jù)，是否是室溫超導(dǎo)還有待進(jìn)一步探索和測(cè)量。”

室溫超導(dǎo)材料

即使現(xiàn)在我們對(duì)于超導(dǎo)還并未完全研究透徹，科學(xué)家也在努力探究更多的規(guī)律、尋找合成超導(dǎo)體以及應(yīng)用的更優(yōu)解。

2017年，中國(guó)科學(xué)院院士、中科院物理所研究員趙忠賢曾在一次演講中指出，目前在超導(dǎo)領(lǐng)域，人們對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的理解還不夠。另外，仍然不斷有新現(xiàn)象涌現(xiàn)，而對(duì)于很多新發(fā)現(xiàn)，利用現(xiàn)在的物理理論難以得到令人滿意的解釋。探索更適于應(yīng)用或更高臨界溫度的超導(dǎo)材料也是人們面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，即便基于現(xiàn)在人們對(duì)于超導(dǎo)的理解和掌握的超導(dǎo)技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)的很多應(yīng)用前景也還沒有得到很好的挖掘，而探索新的高臨界溫度超導(dǎo)體似乎是個(gè)永恒的課題。

一方面，當(dāng)前學(xué)界并未找到夢(mèng)寐以求的常壓室溫超導(dǎo)體，為何室溫超導(dǎo)如此困難？

根據(jù)物理學(xué)知識(shí)，一般當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)，電子與電阻中的原子發(fā)生碰撞，電子的動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電阻發(fā)熱。要將電阻降為零就需要特殊的材料和環(huán)境，低溫或高壓就是為了降低熱運(yùn)動(dòng)，不讓熱運(yùn)動(dòng)破壞超導(dǎo)電流的形成，即使常溫狀態(tài)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)也要加上極高的壓力。

而不論低溫還是高壓，都需要極高的成本，比如低溫環(huán)境往往需要依賴于液氦或其他設(shè)備來(lái)維持，這極大地增加了超導(dǎo)材料的應(yīng)用和維護(hù)成本。如果有一種常溫常壓超導(dǎo)體存在，且能規(guī)?；瘧?yīng)用，那將極大地降低使用成本，掀起一場(chǎng)工業(yè)革命。

但是另一方面，要找到適合應(yīng)用的超導(dǎo)體也絕非易事。

今年3月的室溫超導(dǎo)熱期間，中國(guó)科學(xué)院物理研究所高溫超導(dǎo)機(jī)理研究員羅會(huì)仟曾在一次解讀中談道：“超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)的一百多年里，我們已經(jīng)找到了一萬(wàn)多種超導(dǎo)材料，甚至有一些溫度還算高，比如銅氧化合物的臨界溫度記錄是134K，鐵基超導(dǎo)的臨界溫度記錄是55K，但是我們現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的超導(dǎo)體依舊是傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，叫鈮鈦(Nb-Ti)。它是一種鈮和鈦的金屬合金，柔性和韌性都非常好，好用，方便?！?/p>

他表示，工程應(yīng)用上有很多非常細(xì)節(jié)非常復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)材料要求是非常高的，“所以，大家一定要知道，并不是找到了一種室溫超導(dǎo)體，就馬上能用了，就立刻帶來(lái)技術(shù)革命、能源革命?，F(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)到不了這個(gè)地步?！?/p>

超導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)化

雖然現(xiàn)在并沒有證據(jù)顯示LK-99是室溫超導(dǎo)體，但是超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還在滾滾向前。目前低溫超導(dǎo)應(yīng)用最為廣泛，商業(yè)化較為成熟，高溫超導(dǎo)還在產(chǎn)業(yè)化早期階段。目前研究超導(dǎo)的公司不少，但是真正能夠?qū)I(yè)量產(chǎn)的公司并不多，國(guó)內(nèi)有西部超導(dǎo)、百利電氣、聯(lián)創(chuàng)光電、永鼎股份等廠商。

前述超導(dǎo)研究專家向記者介紹道，目前超導(dǎo)體一般劃分為高溫超導(dǎo)、中溫超導(dǎo)、低溫超導(dǎo)三種。其中，高溫超導(dǎo)體是指臨界溫度高于液氮溫度(77K)的超導(dǎo)材料。

中航證券研究所的報(bào)告顯示，我國(guó)在超導(dǎo)材料的研究方面已具備較好的研究基礎(chǔ)，但高溫超導(dǎo)材料的開發(fā)和批量化制備技術(shù)尚顯薄弱，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程落后于部分發(fā)達(dá)國(guó)家。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的高溫超導(dǎo)也在快速發(fā)展之中，比如2021年上海投建全球首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜，可節(jié)省70%的地下管廊空間。民生電子的報(bào)告就指出，目前高溫超導(dǎo)在感應(yīng)加熱、電力傳輸領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用，在可控核聚變領(lǐng)域應(yīng)用的可行性得到證實(shí)，高溫超導(dǎo)成本低、性能優(yōu)，發(fā)展前景廣闊。

再看低溫超導(dǎo)體，它一般是指金屬和合金超導(dǎo)體。中航證券研究所的報(bào)告顯示，以鈮基超導(dǎo)材料(NbTi和Nb3Sn)為主的低溫超導(dǎo)材料具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能和超導(dǎo)電性，是目前最主要的實(shí)用化超導(dǎo)材料。目前全球超導(dǎo)市場(chǎng)以低溫超導(dǎo)為主，國(guó)內(nèi)低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用占超導(dǎo)市場(chǎng)總量的90%以上。

此外，中溫超導(dǎo)體以二硼化鎂(MgB2)、鐵基超導(dǎo)體為代表，他們的超導(dǎo)溫度在40K(-233.15℃)左右。其中鐵基超導(dǎo)材料是在2008年發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)材料，日本東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家細(xì)野秀雄的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)摻雜氟元素的LaFeAsO材料中存在26K臨界溫度的超導(dǎo)電性，掀起了鐵基高溫超導(dǎo)體的研究熱潮。

國(guó)內(nèi)在鐵基高溫超導(dǎo)領(lǐng)域亦有突破性建樹，中國(guó)團(tuán)隊(duì)采用稀土元素替代和高壓合成方法獲得了高質(zhì)量超導(dǎo)體樣品，并在常壓下測(cè)量得到40K以上的超導(dǎo)電性，突破了麥克米蘭極限溫度(理論最低溫度，指常壓下物質(zhì)能夠達(dá)到的最低溫度)，經(jīng)優(yōu)化合成方式之后獲得了55K的高臨界溫度世界紀(jì)錄，在國(guó)際上引起轟動(dòng)。

趙忠賢曾談到鐵基超導(dǎo)體的意義：“大家之前都認(rèn)為，鐵對(duì)超導(dǎo)是不利的，這種晶體結(jié)構(gòu)體系我國(guó)之前也開展過(guò)研究，我們合成新材料時(shí)用銅而不敢用鐵。報(bào)道(鐵基材料)剛一出來(lái)就引起了中國(guó)科學(xué)家的重視，認(rèn)為鐵基超導(dǎo)是一個(gè)重大的突破。很快，中國(guó)科學(xué)家就把超導(dǎo)臨界溫度提高到43K、52K、55K，而且發(fā)現(xiàn)了一些新的鐵基超導(dǎo)體。鐵基超導(dǎo)體是對(duì)傳統(tǒng)BCS理論的又一次挑戰(zhàn)，這種材料中不僅蘊(yùn)藏著豐富的物理現(xiàn)象，而且有新的應(yīng)用價(jià)值?！?/p>

一次次的材料探尋都是全球科學(xué)家的努力嘗試和嚴(yán)謹(jǐn)科研，超導(dǎo)作為物理學(xué)、材料學(xué)的最前沿，也在無(wú)數(shù)次失敗和新的希冀中繼續(xù)前行。盡管學(xué)界還未找到常壓室溫超導(dǎo)體、LK-99的材料屬性尚未定性、研制了LK-99的韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)生了內(nèi)訌，但是大眾的目光已經(jīng)聚焦到了科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。LK-99最終是烏龍鬧劇，還是一次有價(jià)值的探索，讓我們繼續(xù)拭目以待。

(實(shí)習(xí)生朱梓燁對(duì)此文亦有貢獻(xiàn))