7 月 23 日，一支韓國的科研團隊在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上傳了兩篇論文，宣稱其實現(xiàn)了臨界溫度超過 400K常壓常溫超導(dǎo)。

消息一出，眾聲喧嘩，各國科研團隊紛紛加入了這場“手搓”常壓常溫超導(dǎo)實驗的復(fù)現(xiàn)。

歷經(jīng)幾次復(fù)現(xiàn)實驗的“仰臥起坐”，華中科技大學(xué)材料學(xué)院博士后武浩、博士生楊麗，在常海欣教授的指導(dǎo)下，成功首次驗證合成了可以磁懸浮的 LK-99 晶體，該晶體懸浮的角度比韓國科研團隊獲得的樣品磁懸浮角度更大，有望實現(xiàn)真正意義的無接觸超導(dǎo)磁懸浮。

【資料圖】

研究人員用一個小型磁鐵在樣品下方移動，觀察樣品是否有磁懸浮的現(xiàn)象。實驗結(jié)果顯示，樣品在磁鐵的正負極下都出現(xiàn)相斥的現(xiàn)象。

截稿前，該視頻在 B 站的播放量達到了 710 萬，且還在源源不斷地增加，四大天坑專業(yè)命運的齒輪似乎將再次轉(zhuǎn)動。

“煉丹”煉出超導(dǎo)體？

事實上自韓國團隊發(fā)表該論文以來，由于實驗結(jié)論令人震驚，不少研究學(xué)者第一時間對此提出質(zhì)疑。

牛津材料科學(xué)教授 Susannah Speller 表示：“目前還為時過早，我們還沒有得到這些樣本超導(dǎo)性的有力證據(jù)?！?/p>

美國阿貢國家實驗室理論物理學(xué)家 Michael Norman 尖銳批評道：“他們做實驗的方式更像是業(yè)余愛好者?！?/p>

南京大學(xué)聞?；⒔淌谠诓稍L中也委婉稱：“目前沒有強烈的證據(jù)表明這是常溫常壓超導(dǎo)材料，想要驗證真假還需等待科研團隊的實驗結(jié)果才能判斷?！?/p>

LK-99

與常規(guī)超導(dǎo)不同，常壓常溫超導(dǎo)需要符合幾個條件。簡單點理解就是高溫、穩(wěn)定和容易制造。

有意思的是，各國科研團隊下場的復(fù)現(xiàn)結(jié)果也不盡相同。

北京航空航天大學(xué)的科研團隊采用電阻測試法來驗證樣品的超導(dǎo)性。

結(jié)果顯示，盡管他們合成的樣品與此前韓國團隊公布的 LK-99 在化學(xué)式上完全一致，但他們沒有觀察到該樣品存在明顯的超導(dǎo)現(xiàn)象，甚至存在了類似半導(dǎo)體的特性。

東南大學(xué)教授孫悅在 B 站“科學(xué)調(diào)查局”頻道公布了在常壓常溫下復(fù)現(xiàn)超導(dǎo)實驗的全流程，結(jié)果顯示樣品具備微弱的抗磁性，但并無超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象。

另一部分科研團隊雖然宣稱復(fù)現(xiàn)了 LK-99 的抗磁性，但“抗磁性”只是超導(dǎo)體材料的必要非充分條件，換言之，超導(dǎo)體材料都有“抗磁性”，但有“抗磁性”的不一定是超導(dǎo)體，完美實現(xiàn)常壓常溫下的零電阻性也是值得關(guān)注的焦點之一。

實現(xiàn)磁懸浮的超導(dǎo)體

如上文所說，華中科技大學(xué)常海欣教授團隊雖然首次驗證合成了可實現(xiàn)磁懸浮的 LK-99 晶體，但是超導(dǎo)性和通量量子化還有待驗證。

不過，也有研究團隊認為 LK-99 有可能是超導(dǎo)體。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室通過計算機模擬的方法對 LK-99 的理論機制進行了驗證，認為 LK-99 有可能在室溫環(huán)境壓力成為超導(dǎo)體。

計算機模擬的結(jié)果顯示，在銅原子替換磷灰石材料中的部分鉛原子后，銅的電子能量狀態(tài)會變成平坦、窄的帶狀分布，科學(xué)家認為這是實現(xiàn)高溫超導(dǎo)的一個重要信號。

科研團隊也發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果中顯示銅質(zhì)的磷灰石具備很多有利于產(chǎn)生超導(dǎo)的條件，因此認為其結(jié)果具備研究前途。

面對種種質(zhì)疑，韓國科研團隊第二篇論文的第三作者 Hyun-Tak Kim 此前在接受《每日經(jīng)濟新聞》的采訪時表示，他的團隊此前發(fā)現(xiàn)了論文中的一個錯誤，現(xiàn)在已經(jīng)被修改。他補充道：“制造的 LK-99 常壓常溫超導(dǎo)材料或許可以在一個月之內(nèi)被復(fù)制?！?/p>

還有消息稱，韓國科研團隊可能因為內(nèi)訌矛盾而隱藏了關(guān)鍵工藝，所以才導(dǎo)致目前復(fù)現(xiàn)實驗的樣品超導(dǎo)含量相對沒有那么高。

眼尖的網(wǎng)友在一篇論文《無限層結(jié)構(gòu)的高Tc氧化物超導(dǎo)體》中扒出了疑似被韓國團隊隱藏的退火冷卻細節(jié)。

其分析指出，穩(wěn)定的內(nèi)部高壓才能使內(nèi)部的電子有序快速移動，這是超導(dǎo)的必要環(huán)境。

在數(shù)不勝數(shù)的實驗中，韓國科研團隊成員 Kim 偶然間發(fā)現(xiàn)，當裝有樣品的石英管在從熔爐中取出后的某一瞬間產(chǎn)生裂縫，此時氧氣得以被引入時，才能穩(wěn)定制備出帶有超導(dǎo)性的成品。

目前與 LK-99 有關(guān)的消息層出不窮，LK-99 到底是不是解鎖人類科技的鑰匙，還需要更多的時間去做縝密的論證，所以請不要過分緊張，明天一覺醒來還不會有人飛出銀河系。

不可否認的是，常壓常溫超導(dǎo)材料一旦面世，則將意義深遠，不亞于迎來新一輪的工業(yè)革命。

例如，在能源領(lǐng)域，常壓常溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用可以改善電力輸送網(wǎng)絡(luò)的效率，推動超導(dǎo)發(fā)電機和風力渦輪機等可再生裝置得到更高效的運行，減少能源損失；

在交通領(lǐng)域，超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用于高效的磁懸浮列車系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更快速、更節(jié)能的交通方式；

中國科學(xué)院全超導(dǎo)托卡馬克核融合實驗裝置

在醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域，常溫常壓超導(dǎo)的應(yīng)用還可能推動磁共振成像和其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，以及用于科學(xué)研究的先進磁體和探測器的制造；

如果我們腦洞再大一點的話，超導(dǎo)特性還將會顛覆既有的產(chǎn)品設(shè)計與材料/技術(shù)采用，不再需要散熱系統(tǒng)、光纖/高階 CCL 被取代等等，這時即使是小如 iPhone 的手機設(shè)備，也能擁有與量子電腦匹敵的運算能力。

但在此之前，你真的了解超導(dǎo)是什么嗎？

室溫超導(dǎo)為什么是“物理學(xué)圣杯”？

1911 年，科學(xué)家昂尼斯把稀有氣體氦氣降到了 4.2K的低溫，讓氦氣液化，再用液氦去處理金屬汞，這時候昂尼斯測量汞的電阻發(fā)現(xiàn)，金屬汞的電阻隨著溫度下降逐漸變小，然后突然消失，變?yōu)榱?0，成為了一種超級導(dǎo)電材料，后來人們就把這種現(xiàn)象稱之為超導(dǎo)。

科學(xué)家昂尼斯

這是每個接受過九年義務(wù)教育的人都聽過的物理學(xué)歷史。每一個物理老師在講到超導(dǎo)這一章時眼里都散發(fā)著光，像傳教士一樣把超導(dǎo)的意義和實現(xiàn)室溫超導(dǎo)后的美好未來描繪給學(xué)生，讓超導(dǎo)的故事代代相傳。

從某種意義上來說，超導(dǎo)具備了一個童話故事所必備的要素，即超常的反現(xiàn)實情節(jié)和幾近夸張的描寫—— 0 電阻與常理相違背，超級苛刻的制備條件又增添了神秘色彩，更不用說超導(dǎo)實現(xiàn)后會給人們帶來真真切切的影響。

這些種種因素疊加在一起，讓超導(dǎo)成了最容易破圈的前沿物理概念之一，它的傳播阻力比希格斯玻色子、引力波、暗物質(zhì)等“生僻”名詞低得多。不過，當我們要討論到底什么是超導(dǎo)，超導(dǎo)的原理是什么，可能就觸及到大部分人的知識盲區(qū)了。

要回答這個問題，我們得先搞清楚電阻是怎么產(chǎn)生的。

以金屬為例，金屬內(nèi)部有帶有正電的晶格，外層則是隨意移動的電子，當我們外加電場之后，自由電子移動的過程就形成了電流。

在這個過程中，一些自由電子有可能撞到晶格上，把一部分的能量傳遞給了晶格，晶格再震動產(chǎn)生熱量，這便是電阻發(fā)熱的整個過程。

在昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象之前，科學(xué)界對影響電阻的因素爭論不休，科學(xué)家馬西森認為當導(dǎo)體的溫度降到足夠低時，晶格的振動會減弱，電阻會下降但不會降至 0，另一位科學(xué)家開爾文認為當溫度下降的時候電阻會先降低，然后到某一溫度電阻又升高，因為溫度太低時電子也被“凍住”了移動受限。

科學(xué)家杜瓦則認為，隨著溫度的下降，電阻會逐漸的降為 0，最終昂尼斯的實驗證明杜瓦的觀點是正確的。

事實上，僅是為了研究超導(dǎo)體是否真的電阻降為了 0，還是電阻很小導(dǎo)致儀器測不出來的問題，科學(xué)家們就做了大量的實驗研究來論證，我們不再贅述。

這里想要強調(diào)的是，雖然超導(dǎo)現(xiàn)象很容易理解，但經(jīng)歷了上百年的超導(dǎo)研究本身是一項非常嚴謹且深奧的學(xué)術(shù)工作，如果在沒有足夠論證材料的前提下妄下結(jié)論，甚至借題發(fā)揮，只會讓“超導(dǎo)”一詞成為像紅外、量子等被民科過度消費的學(xué)術(shù)名詞。

1933 年，科學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個重要現(xiàn)象：超導(dǎo)體完全抗磁，又可以稱之為邁斯納效應(yīng)。

普通物體放置在磁場內(nèi)，可以被磁場穿通過去，但把超導(dǎo)體放在磁場內(nèi)會發(fā)現(xiàn)， 磁場會被完全隔絕或部分隔絕在外面，有著很強的抗磁性。

有理論解釋這是因為超導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生電流，從而形成一個磁場與外部磁場抵消了，因此可以實現(xiàn)抗磁性。

這是一片熱解石墨材料

值得注意的是，抗磁性并非超導(dǎo)體特有的特性，像熱解石墨等材料也會出現(xiàn)抗磁性，因此要驗證超導(dǎo)體材料最嚴謹?shù)姆绞竭€是測量材料電阻。

1957 年，三位科學(xué)家 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 提出了著名的 BCS 理論解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。

BCS 理論認為，在低溫下，材料中存在著電子之間的相互吸引力，而這種吸引力會導(dǎo)致電子形成一種特殊的配對狀態(tài)，被稱為 Cooper 對。

在正常條件下，電子之間會相互碰撞，導(dǎo)致電阻。但在超導(dǎo)態(tài)下，這些電子抱團形成的 Cooper 對不會像單個電子那樣隨機運動，而是以一種集體的方式協(xié)同運動。

這時候 Cooper 對可以成團地在晶格之間穿梭，不會受到晶格的干擾，這就是為什么超導(dǎo)體在低溫下能夠無阻礙地傳導(dǎo)電流。

超導(dǎo)現(xiàn)象得到解釋后，科學(xué)界在 1980 年代開始了“超導(dǎo)競賽”，超導(dǎo)體的臨界溫度從 40K 提升到了 77K、90K 再到 125K，再后來科學(xué)家們開始給材料加超高壓，讓材料可以在更高的溫度進入超導(dǎo)態(tài)。

2018 年德國的研究團隊制作的十氫化鑭材料在 170 萬倍大氣壓、250K的條件下實現(xiàn)超導(dǎo)，這是目前最接近室溫超導(dǎo)的材料。

和其他超導(dǎo)材料相比，LK-99 的晶體結(jié)構(gòu)、制造方法和超導(dǎo)條件都是異乎尋常的，它值得科學(xué)界投入更多的精力去論證，我們也可以借著這一次風波對超導(dǎo)這種有趣的物理現(xiàn)象做一個簡單的了解，這就夠了。

它只是人類在鉆木取火過程中突然出現(xiàn)一個小閃光，也許是火苗，也可能是鉆太久了眼神恍惚。

請警惕那些“今天實現(xiàn)磁懸浮，明天完成超導(dǎo)托卡馬克核聚變，后天向獵戶座進發(fā)”的鼓吹言論，要知道的是，LK-99 都還沒通電呢。

智健

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