“室溫超導(dǎo)”又刷屏了！它是什么？將怎樣顛覆世界？一文讀懂

上月底，韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)宣稱發(fā)現(xiàn)了一種名為 LK-99（一種黃鉛礦和磷化亞銅的化合物） 的常溫常壓超導(dǎo)體，此消息一出，吸引了全球范圍內(nèi)吃瓜群眾的關(guān)注。

(資料圖)

畢竟，室溫超導(dǎo)被認(rèn)為可以引領(lǐng)下一輪工業(yè)革命，能夠徹底顛覆人們的日常生活。

昨天，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇論文，稱其實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持 LK-99 作為室溫環(huán)境壓力超導(dǎo)體。

同樣在昨天，中科大團(tuán)隊(duì)也在網(wǎng)絡(luò)上更新了 LK-99 材料的燒制結(jié)果，其中很小的一塊展現(xiàn)出了抗磁性；華中科技大學(xué)的博士們則宣稱“首次驗(yàn)證合成了可以磁懸浮的 LK-99 晶體”，雖然不是真正的懸浮，但它的角度比韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)視頻中樣品的磁懸浮角度更大。

另外，東南大學(xué)的孫悅教授也在 B 站上公布了室溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的全過程，但稱并未觀察到任何可能表明超導(dǎo)的信號(hào)，且生產(chǎn)的樣品和磁鐵未產(chǎn)生懸浮現(xiàn)象。

同樣，北航團(tuán)隊(duì)也宣稱未發(fā)現(xiàn) LK-99 的超導(dǎo)性，特別是他們將韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的 X 射線衍射圖譜與自己的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，確認(rèn)其制備出了相同的東西。

一時(shí)間，LK-99 驗(yàn)證掀起了“復(fù)現(xiàn)潮”。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們對(duì)此議論紛紛，各大社交媒體的評(píng)論區(qū)更是熱鬧非凡。然而，在吃瓜的同時(shí)，你是否真正了解什么是超導(dǎo)？什么是室溫超導(dǎo)？它將如何改變世界？

要想了解室溫超導(dǎo)的意義，需要先明白什么是超導(dǎo)？

據(jù)維基百科解釋，超導(dǎo)（Superconductivity）是指材料在低于某一溫度時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，而這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）。

當(dāng)電子流經(jīng)典型的導(dǎo)電材料時(shí)，它們會(huì)遇到原子形式的障礙，從而產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致散熱和能量損失。然而，超導(dǎo)現(xiàn)象卻令人著迷。在接近絕對(duì)零度的極低溫度下，電子可以配對(duì)并毫不費(fèi)力地在材料中移動(dòng)，無視阻力，毫無損耗地導(dǎo)電。這種無阻力的特性可實(shí)現(xiàn)近乎完美的能量傳輸。

超導(dǎo)的特征是零電阻和完全抗磁性，后者也被稱為邁斯納效應(yīng)。然而，目前成功復(fù)現(xiàn) LK-99 的案例也只是檢驗(yàn)了完全抗磁性，零電阻方面，還有待驗(yàn)證。

傳統(tǒng)上，超導(dǎo)體需要在超低溫條件下才能顯示其非凡的特性，因此其實(shí)際應(yīng)用僅限于特殊行業(yè)。20 世紀(jì) 80 年代末，“高溫”超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)給人們帶來了新的希望，因?yàn)樗鼈兛梢栽谑褂孟鄬?duì)廉價(jià)的液氮就能達(dá)到的溫度下工作。盡管如此，這些高溫超導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中仍然脆而難加工，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

因此，越來越多的科研團(tuán)隊(duì)開始研究室溫超導(dǎo)體的可能性，近年來也發(fā)布了不少相關(guān)研究，但最終以被偽證、被撤稿告終。

室溫超導(dǎo)體又稱常溫超導(dǎo)體（Room-temperature superconductor），是指可以在高于零攝氏度的溫度下產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料。相較于其他的超導(dǎo)體，室溫超導(dǎo)體的條件是日常較容易達(dá)到的工作條件。

一旦室溫超導(dǎo)得以實(shí)現(xiàn)，將徹底改變電力和電子工業(yè)，使電力傳輸不受任何阻力影響，從而帶來前所未有的效率和技術(shù)進(jìn)步。

截至 2020 年，最高溫的超導(dǎo)體是超高壓的含碳硫化氫系統(tǒng)，其壓力為 267 GPa ，其臨界溫度為 +15 攝氏度 。

隨著室溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展和探索，人們對(duì)其是否能引發(fā)第四次工業(yè)革命充滿了期待。此次發(fā)現(xiàn)的新型室溫超導(dǎo)體 LK-99，一旦被復(fù)現(xiàn)，或?qū)?mèng)想帶入現(xiàn)實(shí)。

那么，問題來了。如果室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，我們的世界會(huì)變成什么樣子？以下是一些可參考的示例：

1.更高效的電池

室溫超導(dǎo)體在電池中的應(yīng)用可以顯著提高智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車等各種設(shè)備的能量存儲(chǔ)容量，縮短充電時(shí)間。這將帶來更持久、更可靠的電源，從而增強(qiáng)日常使用體驗(yàn)。

2.量子計(jì)算機(jī)

室溫超導(dǎo)體可能帶來量子計(jì)算的重大突破。超導(dǎo)材料對(duì)于創(chuàng)建和維持處理復(fù)雜計(jì)算所需的微妙量子態(tài)至關(guān)重要。倘若 LK-99 被證實(shí)為一種可行的室溫超導(dǎo)體，將有可能為更易獲得且實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)鋪平道路，從而為各個(gè)行業(yè)帶來更快、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

3.可再生能源的儲(chǔ)存

可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能，通常呈間歇性發(fā)電。然而，借助室溫超導(dǎo)體的潛力，它可以有效地儲(chǔ)存高峰期的剩余能量。這些儲(chǔ)存的能量可以在發(fā)電量低谷時(shí)釋放，確保可再生能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，使依賴清潔能源來滿足日常電力需求變得更加可行。

4.陸海空交通工具的功率和續(xù)航里程飛躍

室溫超導(dǎo)體在電動(dòng)機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用可能會(huì)給交通運(yùn)輸帶來重大進(jìn)步。電動(dòng)汽車、飛機(jī)、船舶和火車可以受益于能源效率和性能的提升。借助 LK-99 ，電動(dòng)汽車可以擁有更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更快的充電能力，使其更適合日常通勤并減少碳排放。

5.超高速磁力列車

通過減少推進(jìn)過程中的能量損失，室溫超導(dǎo)體可以使磁懸浮列車實(shí)現(xiàn)更高的速度，并改善城市地區(qū)乘客的日常通勤體驗(yàn)。

6.提高能源分配效率

在電力傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用室溫超導(dǎo)體，可以顯著減少長(zhǎng)距離配電過程中的能量損失。這種效率的提高將降低電力成本，實(shí)現(xiàn)更加可靠的電網(wǎng)。

需要注意的是，上述應(yīng)用領(lǐng)域僅為推測(cè)，尚未得到科學(xué)界的認(rèn)可。截至目前，類似于 LK-99 的室溫超導(dǎo)體的概念和實(shí)現(xiàn)尚未得到證實(shí)，其真正的潛力和實(shí)用性仍籠罩在迷霧之中。

然而，興奮之余，也有人質(zhì)疑。超導(dǎo)領(lǐng)域過去曾多次聲稱室溫超導(dǎo)體未能經(jīng)受嚴(yán)格審查。因此，科學(xué)界仍保持謹(jǐn)慎態(tài)度，并敦促進(jìn)一步驗(yàn)證韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果。同行評(píng)審的研究和結(jié)果的獨(dú)立復(fù)制對(duì)于確定其發(fā)現(xiàn)的有效性至關(guān)重要。

值得關(guān)注的是，就在今天，韓國(guó) SBS 新聞報(bào)道稱韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)室溫超導(dǎo)論文一作已要求撤稿，聲稱論文存在缺陷，完善后已轉(zhuǎn)投正規(guī)期刊，向?qū)W界提供樣品，以供檢驗(yàn)。

曾幾何時(shí)，人工智能（AI）只存在于科幻小說中，如今卻已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?/p>

如今，室溫常壓超導(dǎo)體的前景激發(fā)了科學(xué)家和公眾的想象力，一旦得已成功，它將突破無數(shù)人類曾想象力邊界，引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)技術(shù)進(jìn)步的新時(shí)代。

1908 年，荷蘭物理學(xué)家 Kamerlingh Onnes 成功將氦氣液化。1911 年，Onnes 在用液氦將汞的溫度降到 4.15K 時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻降為零。他把這種現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)性”。他也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自此，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 為 4.2K。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。

1957 年，John Bardeen，Leon Neil Cooper 和 John Robert Schrieffer 3 位美國(guó)科學(xué)家提出了以他們姓氏首字母命名的 BCS 理論，該理論解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)理。

基于這一理論，科學(xué)家 McMillan 提出，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可能存在上限，一般認(rèn)為不會(huì)超過 40 K。這就是歷史上著名的麥克米蘭極限。

1986 年，德國(guó)科學(xué)家 Johannes Bednorz 和瑞士科學(xué)家 Karl Müller 發(fā)現(xiàn)陶瓷性金屬氧化物可以作為超導(dǎo)體，開啟了銅基高溫超導(dǎo)體的時(shí)代，從而獲得了 1987 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1987 年，美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武與臺(tái)灣物理學(xué)家吳茂昆以及大陸科學(xué)家趙忠賢相繼在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到 90K 以上，液氮的“溫度壁壘”（ 77K ）也被突破了。

2008 年，東京工業(yè)大學(xué)的細(xì)野秀雄與其合作者發(fā)現(xiàn)了新的一類鐵基超導(dǎo)體。隨后，鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度很快被提高到 55K 。

2012 年，清華大學(xué)的薛其坤及其合作者發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)在 SrTiO3 襯底上的單原子層 FeSe 具有高于77K 的超導(dǎo)臨界溫度，這也是目前鐵基超導(dǎo)體的最高超導(dǎo)臨界溫度記錄。

2015 年，物理學(xué)者發(fā)現(xiàn)，硫化氫在極度高壓的環(huán)境下（至少 150GPa ，也就是約 150 萬標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），約于溫度 203K（-70 °C）時(shí)會(huì)發(fā)生超導(dǎo)相變，是目前已知最高溫度的超導(dǎo)體。

2018 年，中國(guó)物理學(xué)生曹原以第一作者發(fā)表兩篇論文于《自然》期刊，發(fā)現(xiàn)了兩層石墨烯以 1.1 度的偏轉(zhuǎn)夾角疊起來時(shí)實(shí)現(xiàn)了 1.7K 溫度下的超導(dǎo)。

如今，超導(dǎo)的故事還在繼續(xù)......

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