我們會(huì)見(jiàn)證超導(dǎo)時(shí)代的到來(lái)嗎？

【資料圖】

從7月底開(kāi)始，“室溫超導(dǎo)”風(fēng)暴席卷全球，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)在arXiv上傳了兩篇論文，宣稱(chēng)成功合成了世界上第一個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體——改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（LK-99），震驚了世界。

據(jù)悉LK-99是由鉛磷灰石稍加變動(dòng)的六方結(jié)構(gòu)，引入了少量的銅，使其可以在127攝氏度以下表現(xiàn)出超導(dǎo)性，化學(xué)式寫(xiě)作：

常溫超導(dǎo)體被視為現(xiàn)代物理學(xué)“圣杯”之一，韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)投下的“重磅”再次引爆了物理學(xué)界。

有分析指出，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的LK-99“更讓人難以置信”，在于其不僅解決了溫度問(wèn)題，甚至不需要“高壓助手”。而127℃的Tc（注：Tc超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度），不僅僅是數(shù)字上比以往研究進(jìn)一步大幅提高，更重要的是可應(yīng)用的溫度區(qū)間大大拓寬。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這一頗具科幻色彩的技術(shù)，能在常溫下讓電子飛快通過(guò)，沒(méi)有電阻，沒(méi)有能量消耗，將顛覆現(xiàn)有電力系統(tǒng)。而室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)將深刻變革目前的能源體系、信息處理與傳輸體系，并在醫(yī)療檢測(cè)、高速交通乃至可控核聚變等諸多領(lǐng)域帶來(lái)進(jìn)步。

目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，LK-99的制備過(guò)程似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單，常溫常壓的條件，“手搓材料”的方式，讓人們?cè)隗@愕、質(zhì)疑之外又燃起了希望 —— 萬(wàn)一超導(dǎo)真就這么簡(jiǎn)單，難道不是個(gè)巨大的突破？

因此，不管是學(xué)材料的還是不學(xué)材料的都在緊張的圍觀各大實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)過(guò)程。LK-99首批重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出爐：理論可行但未復(fù)現(xiàn)懸浮或超導(dǎo)。

7月31日16:13，北航的研究人員在arXiv上提交了論文，稱(chēng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)LK-99的超導(dǎo)性。他們得到的LK-99樣品，其X射線(xiàn)衍射圖譜和韓國(guó)團(tuán)隊(duì)一致，但無(wú)法檢測(cè)到巨大抗磁性，也未觀察到磁懸浮現(xiàn)象。從電輸運(yùn)性質(zhì)來(lái)看，LK-99更像是半導(dǎo)體；從電阻率看，LK-99與超導(dǎo)體的零電阻不符。

幾乎同時(shí)（7月31日17:58），美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）研究員西尼德·M·格里芬在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了標(biāo)題為《銅摻雜的鉛磷灰石中相關(guān)孤立扁平帶的起源》（Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite）論文。

格里芬表示，他們使用了密度泛函理論（DFT）和GGA+U方法進(jìn)行了計(jì)算，為近期韓國(guó)團(tuán)隊(duì)所謂的“室溫常壓超導(dǎo)材料”提供了理論依據(jù)，她認(rèn)為，計(jì)算結(jié)果顯示，LK-99可能存在超導(dǎo)性能，具備高溫超導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)平坦帶特征。

8月1日下午，一位國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)博主發(fā)表視頻稱(chēng)，華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功合成可以磁懸浮的LK-99“室溫超導(dǎo)晶體”，現(xiàn)已通過(guò)邁斯納效應(yīng)驗(yàn)證(注：邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）是超導(dǎo)體從一般狀態(tài)相變至超導(dǎo)態(tài)的過(guò)程中對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象)。

但據(jù)他所說(shuō)，這顆晶體雖然存在抗磁性，但比較弱，也沒(méi)有所謂的“零阻”，整體表現(xiàn)就像是半導(dǎo)體曲線(xiàn)。他認(rèn)為，LK-99就算具備超導(dǎo)相，也是微量的超導(dǎo)雜質(zhì)，無(wú)法形成連續(xù)的超導(dǎo)通路。

就在這支韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究真假還未有定論之際，美國(guó)研究公司迅速跟進(jìn)，不僅也宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體，還稱(chēng)已經(jīng)獲得了相關(guān)專(zhuān)利。

北京時(shí)間8月1日凌晨，位于美國(guó)泰吉量子公司公布照片稱(chēng)，新發(fā)現(xiàn)一種室溫超導(dǎo)材料系一種石墨烯泡沫材料，非常易碎。公司已經(jīng)獲得了一項(xiàng)關(guān)于室溫超導(dǎo)材料的重要專(zhuān)利，這可能意味著該材料將進(jìn)入生產(chǎn)階段。

美國(guó)泰吉量子公司的首席執(zhí)行官Paul Lilly 表示：“很高興地宣布，我們終于獲得了我們的室溫 II 型超導(dǎo)體專(zhuān)利。 ”

消息傳出后，美國(guó)超導(dǎo)美股盤(pán)前延續(xù)漲勢(shì)，漲幅一度擴(kuò)大至130%。

接下來(lái)幾天，會(huì)有更多的復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)。全世界研究者將合力驗(yàn)證這次人類(lèi)究竟能不能摘下室溫超導(dǎo)圣杯，進(jìn)入全新的紀(jì)元。

究竟什么是超導(dǎo)？

100多年前，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）為人類(lèi)打開(kāi)了超導(dǎo)這扇大門(mén)。1911年，昂內(nèi)斯在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K以下時(shí)，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零，而這并不是任何實(shí)驗(yàn)上的紕漏導(dǎo)致的。

自此，汞成為了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)Tc為4.2K。所謂的超導(dǎo)Tc即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度。

零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，此外一個(gè)重要的基本特征則是邁斯納效應(yīng)。繼昂內(nèi)斯上述發(fā)現(xiàn)20余年后，邁斯納在研究測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其內(nèi)部磁場(chǎng)為零，展現(xiàn)出完全抗磁性，這也就被稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)。

超導(dǎo)現(xiàn)象被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

然而，發(fā)展至今，超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用基本局限于磁懸浮等少數(shù)特定場(chǎng)景下，原因在于：它通常需要被冷卻至極低溫，且需要施加極高的壓力才能成為超導(dǎo)態(tài)。此次韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)也提到，自昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找室溫超導(dǎo)體。

因此，現(xiàn)代物理學(xué)“圣杯”之一，就是找到能在常溫常壓下，展現(xiàn)出超導(dǎo)特性的“室溫超導(dǎo)體”。

浙商證券在研報(bào)中指出，目前大多數(shù)超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度都在40K（-233℃）以下，限制了其在能源、醫(yī)療、信息、精密測(cè)量等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；目前僅發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體和鎳氧化物超導(dǎo)體2種轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到液氮溫區(qū)77K（-196℃）的非常規(guī)超導(dǎo)材料體系。

此次韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)公布的超導(dǎo)材料體系在“室溫常壓”（轉(zhuǎn)變溫度約400K（127℃））下即展現(xiàn)超導(dǎo)性，如果被復(fù)現(xiàn)成功，這將是超導(dǎo)領(lǐng)域革命性的進(jìn)步。

“室溫常壓超導(dǎo)”為何讓全球振奮？

實(shí)際上，室溫超導(dǎo)和相關(guān)“研究成果”并不是首次出現(xiàn)。早在2018年，兩位印度科學(xué)家宣稱(chēng)，一種金銀納米粒子構(gòu)成的混合物在13℃下顯現(xiàn)出超導(dǎo)特性。但這項(xiàng)研究在當(dāng)事人2019年5月發(fā)布修正后就不了了之。

今年3月，美國(guó)羅切斯特大學(xué)的迪亞斯團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，但不久后就被多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)表聲明質(zhì)疑，該文章也在質(zhì)疑聲中被撤稿。

為什么人類(lèi)如此渴望室溫超導(dǎo)？

先說(shuō)意義，有分析認(rèn)為“如果有人能夠攻破室溫常壓超導(dǎo)，并最終實(shí)現(xiàn)商用，其巨大的價(jià)值很有可能開(kāi)啟第四次工業(yè)革命?！?/p>

——能源利用效率極大增長(zhǎng)，無(wú)需再開(kāi)采化石能源，環(huán)境得到保護(hù)，人工智能飛速發(fā)展……

“超導(dǎo)體”能夠在特定溫度下保證電阻為零，具有零電阻、完全抗磁性等特征，能被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、磁懸浮列車(chē)、電力輸送、核磁共振等領(lǐng)域。

中郵證券指出，室溫超導(dǎo)意味著超長(zhǎng)距離無(wú)損耗輸電得以實(shí)現(xiàn)，這將引起全球電力網(wǎng)絡(luò)的新一輪的基建狂潮，除此之外超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)等方面均將有所突破。

以磁懸浮列車(chē)為例，日本的低溫超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)，利用超導(dǎo)材料做成超導(dǎo)線(xiàn)圈，通過(guò)在車(chē)廂上安裝制冷機(jī)，保證超導(dǎo)線(xiàn)圈能夠處于低溫超導(dǎo)狀態(tài)。

當(dāng)有電流傳輸通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體不發(fā)熱，電流幾乎不損耗，而通電產(chǎn)生的磁力能讓列車(chē)保持上浮，并向前推進(jìn)。然而，超導(dǎo)所需的超低溫度，成為相關(guān)技術(shù)推廣普及的痛點(diǎn)。

最開(kāi)始，超導(dǎo)體需要接近絕對(duì)零度的低溫，一般要用液氦實(shí)現(xiàn)，每公斤要一兩百元；而后來(lái)出現(xiàn)的“高溫超導(dǎo)”（此處特指臨界溫度進(jìn)入液氮溫區(qū)的超導(dǎo)體）用液氮就可以實(shí)現(xiàn)，每公斤4元，成本和礦泉水差不多。

如果室溫常壓超導(dǎo)材料取得突破，無(wú)疑將在能源、交通、計(jì)算、醫(yī)療檢測(cè)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生變革，浙商證券指出：

更高效的能源傳輸、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)：超導(dǎo)材料利用零電阻的特性，可以無(wú)損耗地傳輸電力，使得能源傳輸效率、穩(wěn)定性和可靠性極大提升；

更高速的交通方式：超導(dǎo)材料帶來(lái)電能傳輸效率的提升和磁懸浮列車(chē)降低成本的可能，將直接影響高速交通方式變革；

更快的信息處理速度：超導(dǎo)材料在低溫環(huán)境下具有高度的量子特性，可用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度遠(yuǎn)超現(xiàn)有計(jì)算機(jī)，或?qū)⒃谛畔⑻幚眍I(lǐng)域帶來(lái)巨大變革；

更先進(jìn)的治療手段：超導(dǎo)材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如MRI、超導(dǎo)線(xiàn)圈等。常溫常壓下超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，將為醫(yī)療設(shè)備的小型化和便攜化提供可能，推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。

東吳證券認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果從實(shí)驗(yàn)室走到商業(yè)化應(yīng)用放量都需要一定的時(shí)間，因此，即使室溫超導(dǎo)材料得到驗(yàn)證，室溫超導(dǎo)的商業(yè)化落地時(shí)間還無(wú)從判斷：

低溫超導(dǎo)現(xiàn)象從1910s被發(fā)現(xiàn)，到八十年代才成熟應(yīng)用在醫(yī)療核磁共振領(lǐng)域；而高溫超導(dǎo)材料在八十年代末被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)椴牧现苽涔に噺?fù)雜，直到35年后才進(jìn)入市場(chǎng)化應(yīng)用。

現(xiàn)階段室溫超導(dǎo)材料制備成本高昂，批量化加工技術(shù)尚未成型，并且使用穩(wěn)定性仍需大量驗(yàn)證。因此，即使室溫超導(dǎo)材料得到驗(yàn)證，室溫超導(dǎo)的商業(yè)化落地時(shí)間還無(wú)從判斷。當(dāng)前業(yè)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化落地的超導(dǎo)技術(shù)仍然以低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)為主。

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