東方網(wǎng)記者范易成8月7日報道：7月22日，韓國一科研團隊在arXiv 網(wǎng)站發(fā)表論文,宣稱發(fā)現(xiàn)了全球首個室溫超導(dǎo)材料LK-99，在全球科學(xué)界引發(fā)“巨震”。如今兩周過去，在這期間，多國團隊進行了復(fù)現(xiàn)實驗，資本市場超導(dǎo)概念股經(jīng)歷了“過山車”行情，對這一發(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)實驗結(jié)果如何？室溫超導(dǎo)如果實現(xiàn)會給生活帶來哪些影響？在超導(dǎo)領(lǐng)域國內(nèi)已經(jīng)有了哪些應(yīng)用？面對紛雜的信息，也許這些科普你應(yīng)該先知道！
來自韓國團隊的突破性“發(fā)現(xiàn)”
(資料圖片僅供參考)
事情起源于7月22日，韓國量子能源研究所研究團隊在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)者在論文進行同行評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LK-99。
韓國團隊發(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)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。所以，超導(dǎo)體有兩個基本的特性：零電阻及完全抗磁性。
超導(dǎo)體其實早已存在
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，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特性。直到1933年，瓦爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)，在固定的外磁場下，把超導(dǎo)體材料由正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時，所有的外磁通都被自動地排出體外，這個現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應(yīng)，既完全抗磁性。
韓國團隊公布的視頻，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？
針對這一問題，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)用團隊的盛杰副教授。
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，這也成為實際應(yīng)用中的難點?！俺瑢?dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)過去了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)?！?nbsp;
據(jù)盛杰介紹，進入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℃溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)。
此外，今年3月美國羅切斯特大學(xué)的Ranga Dias團隊在頂級學(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1萬個大氣壓）下可實現(xiàn)約294K（21℃）的室溫超導(dǎo)電性。但目前復(fù)現(xiàn)實驗均宣告失敗,科學(xué)界懷疑其造假，該研究成果尚處于爭議中。
“室溫超導(dǎo)如果真的實現(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)場合中，所有與電相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都將迎來巨大的變革。” 盛杰說。
如果室溫超導(dǎo)實現(xiàn)了，會給普通人的生活帶來哪些影響？
盛杰向記者介紹了幾個應(yīng)用場景，仿佛是科幻片成為了現(xiàn)實。
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)電纜實現(xiàn)無損輸電，各種電氣設(shè)備都將突破現(xiàn)有的功率、效率設(shè)計瓶頸，而且都會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，能源問題就可能得到徹底解決。“人人擁有像鋼鐵俠、哆啦A夢一樣的聚變動力電池將不再是夢想?！?/p>
運用了超導(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)，人們會不斷突破陸地交通的速度上限；隨著超導(dǎo)電機以及相關(guān)技術(shù)的突破，超導(dǎo)飛機也將成為現(xiàn)實，這可以顯著的減少碳排放；“太空列車”( Startram)計劃也可能得以實施，助力普通人實現(xiàn)太空旅游夢想。
在醫(yī)療領(lǐng)域，核磁共振儀器的價格會變得更加低廉，普及度更高，診斷能力、精度都會得到巨大的提升，幫助人們更早發(fā)現(xiàn)疾??；重離子醫(yī)療的價格也將變得普通人可以接受，整個世界的醫(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，開開‘腦洞’。”
世界各國團隊進行復(fù)現(xiàn)實驗，制備過程“簡單粗暴”被調(diào)侃為“煉金術(shù)”
韓國團隊論文發(fā)表后，世界各國團隊開展復(fù)現(xiàn)實驗，現(xiàn)在的情況如何？
此次韓國團隊發(fā)布了完整的制備過程，和此前各類超導(dǎo)材料相比，顯得過于簡單和“粗糙”，被網(wǎng)友調(diào)侃為“煉金術(shù)”，但這也讓復(fù)現(xiàn)實驗更便于實施。
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團隊一致，但他們的研究同時表明，在改性鉛磷灰石中存在室溫超導(dǎo)體的說法可能需要更仔細(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)團隊成員在B站發(fā)布視頻，宣布成功首次驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。視頻中，無論是磁鐵的N級還是S級，該材料都對此呈現(xiàn)出斥性。但團隊成員稱，由于材料太小，還沒進行電阻測量。截至目前，該視頻播放量已超過1000萬。
華中科技大學(xué)團隊成員在B站發(fā)布的視頻截圖
8月3日，東南大學(xué)團隊宣布測到LK-99樣品零電阻的實驗結(jié)果，但并非在室溫下，而是在110K（-163.15℃，-273.15℃=0K）時，且沒有抗磁性。是否有室溫超導(dǎo)，還有待進一步的探索和測量。
值得一提的是，針對LK-99上海大學(xué)團隊也進行了復(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)重點實驗室主任蔡傳兵向東方網(wǎng)記者介紹了本次復(fù)現(xiàn)實驗。
蔡傳兵認(rèn)為，這個材料是個新的體系，值得進行凝聚態(tài)物理方面的深入探討，但可能需要進行持續(xù)的深入研究才會有結(jié)果。
“目前初步合成制備出一些樣品，但沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。樣品還很粗糙，純度也不夠，正在進行不同工藝條件的樣品制備，同時從不同溫度和磁場等進行特性表征。具體結(jié)果會通過學(xué)術(shù)論文進行公布，需要更多時間和可靠的實驗結(jié)果。”
截至目前，所有的公開復(fù)現(xiàn)實驗，制備的LK-99材料，有部分檢測到抗磁性，但沒有檢測到室溫常壓下電阻為0的現(xiàn)象。
據(jù)韓聯(lián)社報道，8月2日，韓國超導(dǎo)學(xué)會宣布成立“LK-99驗證委員會”，檢驗該成果的真實性。8月3日，委員會根據(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，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)重點實驗室成立于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，我們在新型鎳基超導(dǎo)體、二維界面超導(dǎo)體和超導(dǎo)磁通動力學(xué)方面都有很好的研究成果，發(fā)表在國際頂級期刊上?！?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)并在國內(nèi)率先進行了科技成果轉(zhuǎn)化。實驗室與上海電纜研究所和上海國際超導(dǎo)科技有限公司合作，為國家電網(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?！?/p>
2021年12月22日，國家電網(wǎng)公司在上海興建的世界首條35千伏公里級超導(dǎo)電纜示范工程正式投運。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1.2公里，額定電流2200安培，電能輻射整個轄區(qū)內(nèi)的4.6萬戶用戶。
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，從而實現(xiàn)低電壓等級的大容量輸電。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，該項目中使用的第二代超導(dǎo)帶材，從設(shè)計到生產(chǎn)制造實現(xiàn)了國產(chǎn)化，擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。目前該項目已經(jīng)平穩(wěn)供電500多天，多項指標(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?！?/p>
他認(rèn)為，超導(dǎo)本身是一個小眾學(xué)科，有一定的認(rèn)知壁壘，普通人面對紛雜的真假消息，往往難以判斷。一些“陰謀論”以及“反轉(zhuǎn)”的劇情確實能讓人體驗到“吃瓜”的快感，但是科學(xué)總要回歸理性，面對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)出對顛覆性技術(shù)的興趣以及極高的敏感性?！白罱稍兾页瑢?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隊通過新媒體的方式向大眾展示了科研過程，相關(guān)視頻在B站等平臺播放破千萬，引起廣泛關(guān)注的同時也讓大眾有了更多的參與和互動感。盛杰認(rèn)為，這樣的方式對青少年科研啟蒙也是非常有益的。
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