如何科學(xué)吃瓜“室溫超導(dǎo)”?

　　近期韓國(guó)的一個(gè)研究小組發(fā)表了一篇論文，宣稱實(shí)現(xiàn)了臨界溫度超過400K(126.85℃)的常壓室溫超導(dǎo)，文中將這種“超導(dǎo)材料”稱為L(zhǎng)K-99。

　　這一論文一經(jīng)發(fā)布就在業(yè)內(nèi)外引發(fā)了熱烈討論，畢竟一般來說，“超導(dǎo)”的條件一般十分苛刻。比如一些材料需要把環(huán)境溫度降低到零下一百多度才能表現(xiàn)出超導(dǎo)的特性。這就大大限制了這些“超導(dǎo)”材料的應(yīng)用，畢竟零下一百多度的環(huán)境可不是隨便就能提供的。因此就目前的研究來說，“超導(dǎo)”常有，而“常壓室溫超導(dǎo)”不常有。那么我們?cè)撊绾慰茖W(xué)吃瓜這次的“室溫超導(dǎo)”呢?

　　什么是超導(dǎo)?

　　1911年，荷蘭萊頓大學(xué)昂內(nèi)斯(H. Kamerlingh Onnes)在實(shí)驗(yàn)中得到一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汞在溫度降到4.2 K(零下268.95℃)時(shí)，其電阻突然降到測(cè)量不出的程度。之后他又多次實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)有許多金屬和合金都具有類似的特性。于是昂內(nèi)斯就將這一神奇的現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”(超級(jí)導(dǎo)體)。

　　因此對(duì)于大多數(shù)人們來說，提起“超導(dǎo)”第一時(shí)間想到的往往就是其“零電阻性”。也就是在一定溫度下電阻為零，或者在實(shí)際測(cè)試中電阻足夠小(小于10-25 歐姆)，就可以被認(rèn)為是“超導(dǎo)”。

　　而超導(dǎo)的另一個(gè)基本性質(zhì)就是完全抗磁性(也就是邁斯納效應(yīng))，由于超導(dǎo)體在靠近磁場(chǎng)時(shí)會(huì)在其表面感應(yīng)出超導(dǎo)電流，這個(gè)超導(dǎo)電流會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反大小相等的磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互抵消，從而使其內(nèi)部總磁場(chǎng)為零。

　　因此對(duì)于一種疑似超導(dǎo)體的材料一般會(huì)測(cè)試電阻(或者電阻率)和磁化率，有些還會(huì)測(cè)試比熱等數(shù)據(jù)。

　　追尋更高溫度的超導(dǎo)

　　其實(shí)很多材料只要溫度降到足夠低，都會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。正如同最開始發(fā)現(xiàn)的汞在零下268.95℃時(shí)出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。但如果走出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，要大規(guī)模應(yīng)用一種“超導(dǎo)材料”，把溫度降到零下二百多度顯然是件很困難的事。因此科學(xué)家們一直在追尋更高臨界溫度(開始出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)的溫度)的超導(dǎo)材料。

　　這里首先需要說明一點(diǎn)，一般超導(dǎo)相關(guān)測(cè)試中使用的溫度單位是熱力學(xué)溫度單位開爾文，開爾文溫度常用符號(hào)K表示，其單位為開。這與我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臏囟葐挝粩z氏度不同。

　　開爾文是以絕對(duì)零度作為計(jì)算起點(diǎn)，也就是說0K=-273.15℃。而一般室溫是指300K,也就是26.85℃。

　　在追尋更高臨界溫度超導(dǎo)材料的道路上，有這么幾道坎：

　　40K：打這往上基本就可以算是“高溫超導(dǎo)體”了，這個(gè)高溫是相對(duì)于一般材料的超導(dǎo)臨界溫度而言的。(40K這個(gè)數(shù)據(jù)來自BCS理論中的麥克米蘭極限)

　　77K：如果有一種超導(dǎo)體材料臨界溫度達(dá)到77K以上，那么它就可以“一定程度”上應(yīng)用到我們?nèi)粘５纳a(chǎn)、生活中了。因?yàn)?7K是液氮的沸點(diǎn)，那么這些超導(dǎo)體材料就可以在液氮的冷卻下保持超導(dǎo)狀態(tài)。

　　例如南方電網(wǎng)在我國(guó)首條三相同軸超導(dǎo)電纜示范工程就使用了液氮制冷技術(shù)。超導(dǎo)電纜可以讓相關(guān)供電系統(tǒng)的體積更小、傳輸更多的能量、傳輸過程中的能量損耗也大大降低。

　　室溫(300K左右)：室溫環(huán)境下的超導(dǎo)往往是超導(dǎo)材料研究的理想目標(biāo)。因?yàn)槌瑢?dǎo)材料的臨界溫度處在室溫時(shí)，我們就不需要額外的制冷系統(tǒng)維持它的超導(dǎo)狀態(tài)，因此可以將其應(yīng)用到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫热鐢?shù)碼產(chǎn)品、新能源汽車等領(lǐng)域。不過遺憾的是，目前很多“室溫超導(dǎo)材料”需要加壓才能保持超導(dǎo)狀態(tài)，例如LaH??，在170GPa(1.7億倍大氣壓)下臨界溫度可以達(dá)到250K(零下23.15℃)。不過這就帶來了另一個(gè)問題，就是加壓并不一定比液氮制冷便宜。因此這類“室溫超導(dǎo)體”往往也不太容易大氛圍應(yīng)用。

　　但如果真的發(fā)現(xiàn)了既不需要加壓也不需要降溫的“常壓室溫超導(dǎo)材料”，無疑能極大程度擴(kuò)大超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍。

　　那么這回的常壓室溫超導(dǎo)是真的嗎?

　　在“超導(dǎo)”這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)楦鞣N原因鬧出來的烏龍其實(shí)不少。因此“實(shí)驗(yàn)結(jié)果可復(fù)現(xiàn)”是一個(gè)非常重要的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。也就是說如果只是韓國(guó)這個(gè)團(tuán)隊(duì)測(cè)試出來這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不能說明什么問題。但如果其它科研團(tuán)隊(duì)按照論文中的方法制備出LK-99，并且也測(cè)試出相同的結(jié)果。那么論文中結(jié)論的準(zhǔn)確性就非常高了。

　　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(yàn)證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體，該晶體懸浮的角度比Sukbae Lee等人獲得的樣品磁懸浮角度更大。

　　從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上看，有些人覺得LK-99只是表現(xiàn)出“抗磁性”，有些人覺得已經(jīng)驗(yàn)證了邁斯納效應(yīng)(完全抗磁)。不過嚴(yán)格來說這只能證明了LK-99“保底”是個(gè)抗磁性材料，是不是超導(dǎo)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京國(guó)家凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了關(guān)于“LK-99”的論文。中科院物理所的論文復(fù)現(xiàn)了370K附近電阻跳變的現(xiàn)象，但沒有觀察到零電阻。并且提出這種類似“超導(dǎo)”的現(xiàn)象可能是硫化亞銅導(dǎo)致的。

　　結(jié)語

　　1、目前LK-99是否屬于“常壓室溫超導(dǎo)材料”尚待更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)。

　　2、中科院物理所團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文整體上傾向于認(rèn)為韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的LK-99不是“超導(dǎo)”，并且給出了可信的理由。(硫化亞銅導(dǎo)致的結(jié)果)

　　3、出現(xiàn)“半懸浮現(xiàn)象”的并不一定是超導(dǎo)，也有可能只是“抗磁性”。

　　4、出現(xiàn)“電阻跳變”的并不一定是超導(dǎo)。