東方網(wǎng)記者范易成8月7日?qǐng)?bào)道：7月22日，韓國(guó)一科研團(tuán)隊(duì)在arXiv 網(wǎng)站發(fā)表論文,宣稱發(fā)現(xiàn)了全球首個(gè)室溫超導(dǎo)材料LK-99，在全球科學(xué)界引發(fā)“巨震”。如今兩周過(guò)去，在這期間，多國(guó)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，資本市場(chǎng)超導(dǎo)概念股經(jīng)歷了“過(guò)山車”行情，對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑之聲甚囂塵上，事件逐漸“出圈”引發(fā)全網(wǎng)關(guān)注……
那么，室溫超導(dǎo)究竟是什么？為何此次的“發(fā)現(xiàn)”能引起這么大的熱度？現(xiàn)階段復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何？室溫超導(dǎo)如果實(shí)現(xiàn)會(huì)給生活帶來(lái)哪些影響？在超導(dǎo)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了哪些應(yīng)用？面對(duì)紛雜的信息，也許這些科普你應(yīng)該先知道！
來(lái)自韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的突破性“發(fā)現(xiàn)”
(資料圖片僅供參考)
事情起源于7月22日，韓國(guó)量子能源研究所研究團(tuán)隊(duì)在arXiv（論文預(yù)印本的網(wǎng)站，與傳統(tǒng)學(xué)術(shù)期刊不同，允許學(xué)者在論文進(jìn)行同行評(píng)議之前分享研究成果）上發(fā)布了兩篇論文，聲稱在常壓條件下，一種改性的鉛磷灰石材料能夠在400K（127℃）以下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。這種材料以兩名論文作者名字的首字母命名為L(zhǎng)K-99。
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的論文原文
論文中展示了材料樣品
全球科學(xué)界為何“巨震”，重點(diǎn)在于“室溫超導(dǎo)”
要搞懂這一事件，先得知道什么是超導(dǎo)，以及室溫超導(dǎo)的意義。
超導(dǎo)，指導(dǎo)體在某一溫度下，電阻為零的狀態(tài)。人們把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。所以，超導(dǎo)體有兩個(gè)基本的特性：零電阻及完全抗磁性。
超導(dǎo)體其實(shí)早已存在
1991年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）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。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（critical temperature臨界溫度）為4.2K（-268.8℃）。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。
超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)之初，大家都認(rèn)為其只有零電阻這一個(gè)特性。直到1933年，瓦爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)，在固定的外磁場(chǎng)下，把超導(dǎo)體材料由正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，所有的外磁通都被自動(dòng)地排出體外，這個(gè)現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應(yīng)，既完全抗磁性。
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)公布的視頻，展示材料的抗磁性
電阻是零，磁感應(yīng)也是零，擁有這兩個(gè)特性的超導(dǎo)體目前已經(jīng)被應(yīng)用在能源、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域，如人們所熟知的磁懸浮列車、磁共振成像設(shè)備(MRI)等。
弄清了超導(dǎo)之后，那室溫超導(dǎo)又有何重大意義？
針對(duì)這一問(wèn)題，東方網(wǎng)記者采訪了上海交通大學(xué)電氣工程系高溫超導(dǎo)應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的盛杰副教授。
盛杰告訴記者，現(xiàn)有的超導(dǎo)材料需要在嚴(yán)苛的環(huán)境下才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，比如極低溫或者超高壓力的環(huán)境。而要維持這樣的環(huán)境，成本非常高，這也成為實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)。“超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)過(guò)去了110多年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的具有超導(dǎo)特性的材料種類很多，但可以工業(yè)應(yīng)用的屈指可數(shù)。”
據(jù)盛杰介紹，進(jìn)入21世紀(jì)后發(fā)現(xiàn)的可工業(yè)應(yīng)用的超導(dǎo)材料主要包括MgB2和鐵基超導(dǎo)這兩類。而最近幾年材料領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)主要集中于超高壓作用下的超導(dǎo)特性。如2015年，德國(guó)馬普所的Drozdov等人發(fā)現(xiàn)，在超高壓條件(155 GPa)下硫化氫(H2S)可以在零下70℃溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。
此外，今年3月美國(guó)羅切斯特大學(xué)的Ranga Dias團(tuán)隊(duì)在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)表論文，提出由氫、氮、镥三種元素組成超導(dǎo)體，在大約10kbar（也就是1GPa，約1萬(wàn)個(gè)大氣壓）下可實(shí)現(xiàn)約294K（21℃）的室溫超導(dǎo)電性。但目前復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)均宣告失敗,科學(xué)界懷疑其造假，該研究成果尚處于爭(zhēng)議中。
“室溫超導(dǎo)如果真的實(shí)現(xiàn)，也就意味著后續(xù)的超導(dǎo)應(yīng)用可以擺脫環(huán)境溫度和壓力的限制，可以作為現(xiàn)有電工材料的完美替代品更為方便的應(yīng)用到工業(yè)場(chǎng)合中，所有與電相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都將迎來(lái)巨大的變革?！?nbsp;盛杰說(shuō)。
如果室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了，會(huì)給普通人的生活帶來(lái)哪些影響？
盛杰向記者介紹了幾個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，仿佛是科幻片成為了現(xiàn)實(shí)。
在能源領(lǐng)域，如果室溫超導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，超導(dǎo)電纜可以替代常規(guī)電纜實(shí)現(xiàn)無(wú)損輸電，各種電氣設(shè)備都將突破現(xiàn)有的功率、效率設(shè)計(jì)瓶頸，而且都會(huì)變的更加緊湊和輕便；另外，一旦室溫超導(dǎo)促成了可控核聚變，能源問(wèn)題就可能得到徹底解決?！叭巳藫碛邢皲撹F俠、哆啦A夢(mèng)一樣的聚變動(dòng)力電池將不再是夢(mèng)想。”
運(yùn)用了超導(dǎo)技術(shù)的日本新型磁懸浮列車
在交通領(lǐng)域，陸地上超導(dǎo)磁懸浮列車將大行其道，配合真空管道技術(shù)，人們會(huì)不斷突破陸地交通的速度上限；隨著超導(dǎo)電機(jī)以及相關(guān)技術(shù)的突破，超導(dǎo)飛機(jī)也將成為現(xiàn)實(shí)，這可以顯著的減少碳排放；“太空列車”( Startram)計(jì)劃也可能得以實(shí)施，助力普通人實(shí)現(xiàn)太空旅游夢(mèng)想。
在醫(yī)療領(lǐng)域，核磁共振儀器的價(jià)格會(huì)變得更加低廉，普及度更高，診斷能力、精度都會(huì)得到巨大的提升，幫助人們更早發(fā)現(xiàn)疾??；重離子醫(yī)療的價(jià)格也將變得普通人可以接受，整個(gè)世界的醫(yī)療水平將提到提升。
“可以想象的空間太大了，大家可以自由發(fā)揮，開(kāi)開(kāi)‘腦洞’?！?/p>
世界各國(guó)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，制備過(guò)程“簡(jiǎn)單粗暴”被調(diào)侃為“煉金術(shù)”
韓國(guó)團(tuán)隊(duì)論文發(fā)表后，世界各國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在的情況如何？
此次韓國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了完整的制備過(guò)程，和此前各類超導(dǎo)材料相比，顯得過(guò)于簡(jiǎn)單和“粗糙”，被網(wǎng)友調(diào)侃為“煉金術(shù)”，但這也讓復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)更便于實(shí)施。
7月31日，北京航空航天大學(xué)的研究人員在arXiv上提交了相關(guān)論文，他們得到的樣品X射線衍射圖譜和韓國(guó)團(tuán)隊(duì)一致，但他們的研究同時(shí)表明，在改性鉛磷灰石中存在室溫超導(dǎo)體的說(shuō)法可能需要更仔細(xì)的再研究，特別是在電傳輸特性方面。
8月2日，華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員在B站發(fā)布視頻，宣布成功首次驗(yàn)證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。視頻中，無(wú)論是磁鐵的N級(jí)還是S級(jí)，該材料都對(duì)此呈現(xiàn)出斥性。但團(tuán)隊(duì)成員稱，由于材料太小，還沒(méi)進(jìn)行電阻測(cè)量。截至目前，該視頻播放量已超過(guò)1000萬(wàn)。
華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員在B站發(fā)布的視頻截圖
8月3日，東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布測(cè)到LK-99樣品零電阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但并非在室溫下，而是在110K（-163.15℃，-273.15℃=0K）時(shí)，且沒(méi)有抗磁性。是否有室溫超導(dǎo)，還有待進(jìn)一步的探索和測(cè)量。
值得一提的是，針對(duì)LK-99上海大學(xué)團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)工作。
上海大學(xué)理學(xué)院物理系教授，上海市高溫超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任蔡傳兵向東方網(wǎng)記者介紹了本次復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。
蔡傳兵認(rèn)為，這個(gè)材料是個(gè)新的體系，值得進(jìn)行凝聚態(tài)物理方面的深入探討，但可能需要進(jìn)行持續(xù)的深入研究才會(huì)有結(jié)果。
“目前初步合成制備出一些樣品，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。樣品還很粗糙，純度也不夠，正在進(jìn)行不同工藝條件的樣品制備，同時(shí)從不同溫度和磁場(chǎng)等進(jìn)行特性表征。具體結(jié)果會(huì)通過(guò)學(xué)術(shù)論文進(jìn)行公布，需要更多時(shí)間和可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！?/p>
截至目前，所有的公開(kāi)復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，制備的LK-99材料，有部分檢測(cè)到抗磁性，但沒(méi)有檢測(cè)到室溫常壓下電阻為0的現(xiàn)象。
據(jù)韓聯(lián)社報(bào)道，8月2日，韓國(guó)超導(dǎo)學(xué)會(huì)宣布成立“LK-99驗(yàn)證委員會(huì)”，檢驗(yàn)該成果的真實(shí)性。8月3日，委員會(huì)根據(jù)兩篇論文中提供的數(shù)據(jù)和已發(fā)布的視頻，宣布LK-99不能被稱為室溫超導(dǎo)體。
超導(dǎo)就在我們身邊，上海打造超導(dǎo)電纜示范工程
在超導(dǎo)領(lǐng)域，上海一直走在全國(guó)，乃至世界的前列。在本次爆火的新聞的背后，也許這些故事也許更應(yīng)該“出圈”。
蔡傳兵任職的上海市高溫超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立于2014年，研究方向包括基礎(chǔ)物理研究，非常規(guī)新型超導(dǎo)體，新奇的量子效應(yīng)、超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁熱相圖研究等。
“目前，我們?cè)谛滦玩嚮瑢?dǎo)體、二維界面超導(dǎo)體和超導(dǎo)磁通動(dòng)力學(xué)方面都有很好的研究成果，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊上?！?nbsp;蔡傳兵向記者介紹，“此外，我們攻克了高溫超導(dǎo)帶材制備關(guān)鍵技術(shù)并在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了科技成果轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)室與上海電纜研究所和上海國(guó)際超導(dǎo)科技有限公司合作，為國(guó)家電網(wǎng)在徐匯區(qū)的1.2公里超導(dǎo)電纜工程提供了核心關(guān)鍵材料——高溫超導(dǎo)帶材。”
2021年12月22日，國(guó)家電網(wǎng)公司在上海興建的世界首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜示范工程正式投運(yùn)。該示范工程位于上海市中心，連接徐匯商業(yè)核心區(qū)兩座220千伏變電站，總長(zhǎng)1.2公里，額定電流2200安培，電能輻射整個(gè)轄區(qū)內(nèi)的4.6萬(wàn)戶用戶。
上海超導(dǎo)電纜示范工程
超導(dǎo)輸電，電能傳輸損耗趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)低電壓等級(jí)的大容量輸電。不僅如此，一條超導(dǎo)電纜，相當(dāng)于4到6條相同電壓等級(jí)傳統(tǒng)電纜的輸電容量，還能節(jié)省大量地下管廊空間。
蔡傳兵告訴記者，該項(xiàng)目中使用的第二代超導(dǎo)帶材，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前該項(xiàng)目已經(jīng)平穩(wěn)供電500多天，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
如何看待事件“出圈”引發(fā)全網(wǎng)關(guān)注
對(duì)于本次LK-99事件引發(fā)的巨大關(guān)注，盛杰表示：“還蠻出乎意料的。”
他認(rèn)為，超導(dǎo)本身是一個(gè)小眾學(xué)科，有一定的認(rèn)知壁壘，普通人面對(duì)紛雜的真假消息，往往難以判斷。一些“陰謀論”以及“反轉(zhuǎn)”的劇情確實(shí)能讓人體驗(yàn)到“吃瓜”的快感，但是科學(xué)總要回歸理性，面對(duì)這些信息還是要保持客觀謹(jǐn)慎。
另一方面，令他感到欣慰的是，很多人表現(xiàn)出對(duì)顛覆性技術(shù)的興趣以及極高的敏感性。“最近咨詢我超導(dǎo)領(lǐng)域科普讀物的朋友有很多，這表明，隨著高等教育的普及，民眾的基礎(chǔ)認(rèn)知水平已經(jīng)有很高水準(zhǔn)了?！?nbsp;
此外，本次以華科和東南為代表的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)新媒體的方式向大眾展示了科研過(guò)程，相關(guān)視頻在B站等平臺(tái)播放破千萬(wàn)，引起廣泛關(guān)注的同時(shí)也讓大眾有了更多的參與和互動(dòng)感。盛杰認(rèn)為，這樣的方式對(duì)青少年科研啟蒙也是非常有益的。
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