“室溫超導”的子彈,已經飛了兩週。
7月22日,韓國科研團隊在arVix論文預印本網站上連發兩文,宣布發現了“第一個常溫常壓超導體”LK-99。它是一種摻雜了少量銅的鉛磷灰石材料,使其可以在127攝氏度下表現出超導性。
一石激起千層浪,全世界物理實驗室開始加班加點复盤。
資本市場同樣大受影響。超導概念股迅速猛增,8月1日,國內超導個股永鼎股份、法爾勝、百利電氣上漲20%觸及漲停板。
以法爾勝為例,該公司在最近的7個交易日里出現4日漲停,8月3日跌停,截至當天收盤價為5.34元/股。
至8月4日晚,民間科學網站SpaceBattles Forums中有用戶統計了全球15個公開披露實驗進度的高校及官方科研機構列表,以及7組個人身份復刻實驗的名單。其中3個官方機構已初步驗證並發布論文稱目前未觀測到LK99具有超導現象。其餘大部分實驗均仍在進一步驗證的過程中。
學界與業界始終對這一波室溫超導熱潮呈冷態度,在接受南風窗記者採訪時,多位業內人士表示不予置評。而如今隨著多個實驗表示“未證實其為超導體”,資本市場也慢慢冷卻,回落到之前水平。
儘管如此,這一次室溫超導的民間討論熱度卻達到了前所未有的狀態。B站和知乎成為科學愛好者們互相交流的主陣地,驗證視頻與科普帖層出不窮。
8月5日凌晨,B站一個關於室溫超導的科普視頻,實時觀看人數1000+。
這場關於室溫超導的熱潮,仍在散發餘溫。
“坩堝裡煉出現代物理聖杯?”
LK99的降臨之所以能夠引起大眾的廣泛關注和民科的集體沸騰,與其材料本身的“完美性質”密不可分。
自超導現像被人們發現後,該材料一直受制於溫度與壓力兩個約束變量。
1908年,荷蘭物理學家昂尼斯實現液化氦氣,並獲得了接近絕對零度的低溫4.2K(約-269攝氏度)。1911年,昂尼斯等人用液氮冷卻金屬汞時發現,汞的電阻在溫度降至4.2K左右時急劇下降至消失,具備完全導電性。
在兩年後的諾貝爾獎領獎台上,昂尼斯描述低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的,而是突然的”。超導體自此誕生,人類開啟了對超導的追逐和探索。
目前,超導材料在生產應用上,以低溫超導和高溫超導兩種為主。此處高溫低溫的差別並非指平日里指的體感溫度,而是指物理學上的“常規理論界限”40k。40k(零下-233.15攝氏度)以上稱為高溫環境。
大多數超導材料只有在低溫環境(低於40k,即-233.15℃)下才能呈現出超導電性,這樣的限制條件使超導很難大規模投入到生產應用中。而如果想要提高臨界溫度,可以施加高壓。但是,高壓下的材料體量微小,也不具備規模化應用的條件。
據韓國團隊發布的論文,LK99打破了這個常規認知。
製備流程極其簡單:五十塊錢的原材料,一個坩堝就能煉。
韓國團隊發布的第二篇論文說明了製備流程:黃鉛礬和磷化亞銅研磨成粉末,在10^-3Torr(真空度測量)條件下,加熱到925攝氏度,合成摻銅的鉛-磷灰石——就是這樣的材料,可以在常壓127攝氏度以下實現超導。
幾千萬幾億的設備、科學界幾十年做不出的突破,就這樣“大道至簡”地出現在大眾視野中。
室溫超導被稱作“百年物理學的聖杯”,在韓國團隊發布這一發現後,一時間,“手搓超導”,到“坩堝製造”……社交網絡上各個科學愛好者掀起了一輪復現實驗的熱潮。8月1日下午,華中科技大學常海欣教授團隊在b站發布LK99抗磁性效應的驗證視頻,視頻中材料能夠輕微懸浮,具有一定的抗磁性。播放量已超過一千萬,彈幕上刷了滿屏的“見證歷史”。
“第四次工業革命”似乎已經近在眼前。
但事實真的是這樣嗎?
就論文和展示效果本身而言,南京大學超導物理和材料研究中心主任聞海虎認為,該成果更像是“超導假象”。他指出,論文試從三個層面論證超導的無電阻性和完全抗磁性,但都沒有充分論證。
電阻測量方面,常用“四探針法”,但韓國實驗中,電極是用4個尖銳的針尖測量的,這種測量有可能出現接觸問題,並且從測試數據來看沒有發現在低溫下有穩定的低噪音零電阻態;
磁化數據方面確實看到抗磁,但超導本身俱有獨特的、特定形狀的磁滯迴線,該文章中沒有發現這個數據信息;
磁懸浮方面,超導磁懸浮具有磁通釘扎特性,釘住後具有自穩定性,而視頻演示的“磁懸浮”是一個需要支撐點的不穩定的懸浮狀態。
北京高壓科學研究中心主任毛河光教授在接受中國科學報的採訪時也表示,即使全部材料能夠在磁鐵上方全部懸浮起來也不一定算超導,根據視頻,韓國這個材料還不能全部懸浮。“韓國研究則從開始就有點像民科,或者像變魔術。”
反轉之後再反轉
除卻對韓國團隊論文研讀和成果觀測,該論文上傳時的措辭也頗被詬病。
中國科學院科學傳播研究中心副主任袁嵐峰在一篇文章中指出,論文上傳題目非常直白,直接為The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor(第一個室溫常壓超導體),而摘要的第一句直接說明“全世界第一次,我們成功地合成了室溫常壓超導體(臨界溫度超過400 K,即127℃”,在科學領域,也是一種不常見的表述,不夠嚴謹客觀。
但這樣“吸引眼球”的文字和舉足輕重的發現,文章一在arVix平台上發布,全世界各大實驗室就開始進行重複實驗。
7月31日,北京航空航天大學的研究團隊在arVix預印本網站上發布論文,表示成功製備了LK-99材料,得到的樣品X射線衍射圖譜和韓國團隊一致,但沒有觀察到“磁懸浮”現象和零電阻現象。
同日,印度國家物理實驗室團隊也稱,“我們目前在925°C下合成的LK-99樣品的結果,目前還不能證明在室溫下具有大塊超導性”。
然而,幾乎在同一時間,理論物理方面,美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)發文表示,其使用了密度泛函理論(DFT)和GGA+U方法進行了計算,發現存在平坦能帶,說明了LK99在理論層面可能具有超導性質。8月1日,中科院也發文表示,在理論層面計算了LK99 的結構。
但這並不意味著LK99一定就是室溫超導體。許多物質都具有平坦能帶,這並非超導獨一無二的屬性,理論層面的推算無法就此蓋棺定論。理論結構的可行性到實操驗證也尚有一段距離。
實驗方面,部分團隊取得了一些進展,但也並非完全驗證韓國團隊的結論。華中科技大學常海欣團隊在B站與知乎用戶“半導體與物理”先後在顯微鏡下展示了一針尖大小LK-99樣品的“磁懸浮”現象;東南大學孫悅團隊中的1片樣品觀察到110K其電阻降低為零,但並未驗證到樣品“抗磁性”。孫悅教授也在8月3日發布解說視頻,強調觀測到110k零電阻並不是室溫超導的證據,是否有室溫超導,還有待進一步的探索和測量。
前者只能說明LK-99材料具有一定的抗磁性,而非完全抗磁性,進一步驗證需要反复;後者只說明該材料可以進一步地進行研究,是一個可能的高溫超導體。
目前,世界各國仍在進行重複實驗證偽。而韓國學界自身似乎也就這篇論文陷入爭議。
據鈦媒體報導,8月2日,韓國“室溫超導”論文作者李碩裴(Sukbae Lee)表示,論文存在缺陷,系團隊中的一名成員、Young-Wan Kwon教授未經其他作者許可擅自發布,目前團隊正向arXiv要求下架論文。目前尚未得到後續進展。
而在此之前,這版論文就被發現圖表有幾處錯漏。在7月29日,團隊上傳了第二版更正文章,但仍被指出y軸磁化率上還存在一處錯誤。
韓國超導和低溫學會已於8月2日發布新聞公報,表示已經組建一個專家驗證委員會。該驗證委員會於8月3日對室溫超導體LK-99進行了深入研究,並表示該物質尚未展現出超導特性中的重要現象——“邁斯納效應”。
韓國超導低溫學會要求Q-center提供LK-99的樣品,截至目前,該團隊尚未提供。韓國超導低溫學會驗證委員會表示,據目前論文和視頻成果展現,韓國量子能源研究中心研究團隊所合成的“LK-99”並非常溫超導體。
為什麼我們期待“室溫超導”成真
這不是室溫超導在今年的第一次“出圈”。
今年3月8日,Ranga Dias曾高調宣布自己實現了21°C的條件下的超導,引發各界矚目。
而僅僅八天之後,南京大學物理學院聞海虎團隊就在預印本網站arXiv提交了一篇研究論文,內容長達16頁,否定了迪亞斯的研究結論。論文結論稱:“我們的實驗清楚地表明,從環境壓力到6.3GPa,溫度低至10K(約-263攝氏度),镥氮氫材料LuH2±xNy中不存在超導性”。該論文於5月在《nature》正式發表。
迪亞斯的“室溫超導”是需要在一萬個大氣壓下完成實驗,但韓國團隊提出的,則是常溫常壓,如果證實,則是完全劃時代的突破。
超導發展的一百多年,嚴格的低溫環境和高昂的材料成本,都曾給超導技術的發展帶來一定的阻礙。西部超導副總經理郭強告訴南風窗,“近年來大家對超導的關注變高,也正是因為技術的不斷突破,成本變低,更多的人才看到了超導”。
這次LK99凝聚態晶體之所以能引起如此大的爭議和關注,非常重要的一個原因,就是它可能會以極低的成本,極大程度地推動新技術的變革。
如果一個超導體可在常溫常壓下就實現超導作用,不久的未來,我們就可以看到科幻小說走進現實:核聚變裂變技術全面更新,所有發電機和電路系統全部更新換代、高能加速器、容量更大的超級計算機,探測度更加靈敏的感測器。整個世界將會發生翻天覆地的變化。
往更小處看,醫院裡面用的核磁成像裝置就將不需要用任何低溫製冷液體,使用價格非常便宜,更大程度地惠及人類。
同時,室溫超導體可以全面提升磁懸浮列車的安全性,會有成本更低、安全性能更高的磁懸浮列車投入運營。
最為基本的是,輸電沒有電阻,遠距離傳輸也就不再需要高壓電,對電的利用率達到百分百,不再有損耗之憂。
人們非常渴望一場新的技術變革。
室溫超導到底有可能實現嗎?聞海虎教授在接受搜狐科技採訪時表示,除了LK-99,富氫材料也是一個值得繼續探索的方向。以及利用磁交換作用實現高溫度超導的研究也沒有上限,甚至有達到室溫的可能性。
郭強對南風窗表示,“關於室溫超導,現在都還是一個很不確定的事情,需要理論上和技術上都進一步地驗證、探索。唯一能知道的是,這將會是一條漫長的道路”。(南風窗)