室溫超導(dǎo)：一個(gè)反復(fù)上演 “狼來(lái)了” 的研究領(lǐng)域

就算室溫超導(dǎo)復(fù)現(xiàn)不成功，多些期待總是好的。

文丨賀乾明編輯丨程曼祺 龔方毅

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一隊(duì)韓國(guó)學(xué)者發(fā)布兩篇論文，宣布物理學(xué)領(lǐng)域重大突破，世界震動(dòng)之余又將信將疑。一些同行試圖通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算驗(yàn)證可行性，也有一些學(xué)者提醒公眾別激動(dòng)得太早。如今復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)有了新進(jìn)展 —— 整體不樂(lè)觀，不過(guò)出現(xiàn)了積極的證據(jù) —— 學(xué)界還在疑惑，資本市場(chǎng)已被點(diǎn)燃。

這就是過(guò)去十多天圍繞室溫超導(dǎo)突破的所發(fā)生的一系列事。

“往小了說(shuō)是諾獎(jiǎng)的工作，往大了說(shuō)這是改變?nèi)祟惏l(fā)展進(jìn)程的研究?！?東南大學(xué)物理學(xué)院教授孫悅告訴《晚點(diǎn) LatePost》，他從事超導(dǎo)研究十多年，經(jīng)歷過(guò)四五次類似的室溫超導(dǎo)突破 “烏龍事件”，這次依然迅速跟進(jìn)復(fù)現(xiàn)，“室溫超導(dǎo)的突破實(shí)在太重要了”。

這大概也解釋了為什么鮮有科學(xué)研究會(huì)像室溫超導(dǎo)這樣，一次又一次有研究團(tuán)隊(duì)宣布取得重大突破，但很快又因?yàn)槠渌麍F(tuán)隊(duì)無(wú)法復(fù)現(xiàn)成果被拋在一旁?？墒侵灰儆醒芯繄F(tuán)隊(duì)宣布新突破，仍會(huì)引發(fā)關(guān)注和跟進(jìn)。

當(dāng)韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院在 7 月 22 日用相對(duì)完善的材料制作步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和部分磁懸浮視頻，宣稱能在特定的室溫常壓環(huán)境中讓一種名為 LK-99 的材料實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)時(shí)，人們的期待值再次被拉滿。

那些投入資源試圖復(fù)現(xiàn)研究的團(tuán)隊(duì)，主要期待能在 127°C 以下的室溫常壓中，檢測(cè)出樣品同時(shí)存在兩種特性：

零電阻。就好比有一條河，水在河里流動(dòng)會(huì)遇到石頭、樹枝等障礙物，就像電流在導(dǎo)線中流動(dòng)會(huì)遇到電阻。河里的障礙會(huì)讓水流速度變慢并產(chǎn)生渦流，同樣，電阻也會(huì)讓電流變慢并產(chǎn)生熱量，這意味著電能會(huì)損耗。而超導(dǎo)體中電阻會(huì)消失。完全抗磁性。普通的材料放進(jìn)磁場(chǎng)中，磁力線通常會(huì)穿過(guò)它們。但超導(dǎo)體能完全把磁力線彈開。如果你在磁鐵上放一個(gè)超導(dǎo)體，超導(dǎo)體會(huì)被推開并懸浮在空中。超導(dǎo)體隔絕磁場(chǎng)的時(shí)候，也讓外部的磁場(chǎng)變得更強(qiáng)，幾乎沒(méi)有能量損耗。因此超導(dǎo)體通常被拿來(lái)做超級(jí)磁鐵。

憑借超導(dǎo)體零點(diǎn)阻、抗磁性的特性，科學(xué)家們?cè)斐隽撕舜殴舱駜x器，并有效推進(jìn)了可控核聚變、量子計(jì)算機(jī)等前沿技術(shù)研究?，F(xiàn)在想讓這一切發(fā)揮作用得花費(fèi)巨大成本創(chuàng)造極低溫（-269 °C~-196°C）的環(huán)境。醫(yī)院的核磁共振儀里灌著售價(jià)數(shù)十萬(wàn)的液氦，維持極低溫，隔幾個(gè)月還要定期補(bǔ)充；超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)僅降溫設(shè)備就得花幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)元。

如果室溫超導(dǎo)能成真且大規(guī)模推廣，就能使超導(dǎo)材料和應(yīng)用不再昂貴，同時(shí)使一些現(xiàn)在的不可能成為可能。從建設(shè)更有效率的電網(wǎng)，到讓更多病人用上便宜的核磁共振檢查，讓時(shí)速 600 公里甚至更快的磁懸浮列車可能會(huì)像高鐵一樣普及，可控核聚變、量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)難度會(huì)隨之下降。

樣品沒(méi)復(fù)現(xiàn)超導(dǎo)特性，計(jì)算模擬顯示 “可行”

過(guò)去這一周，孫悅教授和他的團(tuán)隊(duì)成員只能在實(shí)驗(yàn)間隙短暫休息下。從看到韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的論文開始，他們便行動(dòng)起來(lái)，采購(gòu)材料、按照韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)公布的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)復(fù)現(xiàn)研究，忙的時(shí)候一天要工作超過(guò) 20 個(gè)小時(shí)。

“論文中還是會(huì)有前后矛盾和模糊不清的地方，比如 ‘前驅(qū)物’ 燒結(jié)（一種材料加工方法），開始論文中稱在空氣中，但配圖里展示的是真空；按照他們給出銅和磷元素配比，無(wú)法做出來(lái)前驅(qū)物?！?孫悅說(shuō)。

他們憑借過(guò)往的研究經(jīng)驗(yàn)，在模糊的地方做了不同嘗試，兩兩組合了 3 對(duì)設(shè)置，包括不同燒結(jié)環(huán)境（真空或有空氣）、兩種不同材料配比和兩種不同的燒結(jié)時(shí)間（10 小時(shí)或 20 小時(shí)），最終做出了 8 個(gè)樣品，借助 “X 射線衍射” 分析后發(fā)現(xiàn)，“結(jié)構(gòu)與韓國(guó)團(tuán)隊(duì)基本完全一致”。

遺憾的是，他們沒(méi)能發(fā)現(xiàn)樣品是超導(dǎo)體的跡象——幾乎沒(méi)有抗磁性，更不用說(shuō)懸浮了。北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、印度國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室等團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)論與孫悅團(tuán)隊(duì)類似。

但有一些團(tuán)隊(duì)，比如華中科技大學(xué)材料學(xué)院的團(tuán)隊(duì)復(fù)現(xiàn)取得了一些進(jìn)展。其團(tuán)隊(duì)成員 8 月 1 日在 B 站上發(fā)布的視頻顯示，當(dāng)用一塊磁鐵從下方接近樣品材料，它會(huì) “立起來(lái)”，展現(xiàn)出了與 LK-99（摻雜銅的鉛磷灰石） 類似的抗磁性特征。

但這種特征并不能確定它是不是超導(dǎo)材料。視頻里也沒(méi)有呈現(xiàn)電阻測(cè)試的結(jié)果。“只有一片幾十微米大小的樣品，測(cè)電阻會(huì)破壞樣品，正在做新一批樣品?！?華中科技大學(xué)的研究者說(shuō)。

直接燒樣品做復(fù)現(xiàn)之外，另有一些研究者用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，看新材料為室溫超導(dǎo)體的可能性。同樣是在 8 月 1 日，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員西尼德·格里芬（Sinéad M. Griffin）在 arXiv 上發(fā)布論文，聲稱用美國(guó)能源部的超算對(duì) LK-99 材料模擬運(yùn)算，認(rèn)為它具備現(xiàn)實(shí)世界中室溫超導(dǎo)材料具備的性質(zhì)。

現(xiàn)在還沒(méi)有團(tuán)隊(duì)真正復(fù)現(xiàn)出韓國(guó)團(tuán)隊(duì)宣稱能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料?？茖W(xué)家們的質(zhì)疑聲同樣此起彼伏，認(rèn)為韓國(guó)團(tuán)隊(duì)做出來(lái)的可能只是 “室溫環(huán)境下具備微弱抗磁性的材料，并不是超導(dǎo)體”。

但這一次針對(duì)韓國(guó)團(tuán)隊(duì)研究的復(fù)現(xiàn)與此前幾次室溫超導(dǎo)研究相比，情況已經(jīng)好了一點(diǎn)。這種微妙的變化也讓資本市場(chǎng)興奮起來(lái)，A 股市場(chǎng)多支超導(dǎo)概念股票連續(xù)兩天漲停，美股美國(guó)超導(dǎo)一天漲了 60%。

韓國(guó)的研究者還在增加更多實(shí)驗(yàn)過(guò)程的信息，他們接受采訪時(shí)提到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中石英管破裂的情況?！案邷匮鯕馐裁磿r(shí)候進(jìn)入？會(huì)不會(huì)有催化作用？” 一位清華大學(xué)物理系教授認(rèn)為這些因素可能會(huì)直接影響樣品燒結(jié)的過(guò)程。

新的信息出現(xiàn)，新一輪的復(fù)現(xiàn)研究也在繼續(xù)。針對(duì)石英管破裂的信息，孫悅還會(huì)繼續(xù)調(diào)整試驗(yàn)過(guò)程，比如在燒結(jié)樣品時(shí)的不同階段加入氧氣、空氣，模擬破裂造成的影響。他也在考慮嘗試不同的冷卻方式，第一輪燒結(jié) 8 個(gè)樣品時(shí)，他們選擇讓樣品慢慢冷卻，之后可能會(huì)嘗試在高溫時(shí)直接淬火，這可能也會(huì)影響樣品的特性。

關(guān)于韓國(guó)這項(xiàng)室溫超導(dǎo)研究還有一個(gè)變量來(lái)自研究團(tuán)隊(duì)本身。該研究的主要作者之一李碩裴（Sukbae Lee）接受韓聯(lián)社采訪時(shí)稱，研究團(tuán)隊(duì)其實(shí)尚未準(zhǔn)備好發(fā)表論文，是同事未經(jīng)其他作者同意下擅自發(fā)布，團(tuán)隊(duì)目前正向 arXiv 要求下架論文。截至發(fā)稿，該論文尚未下架。

一個(gè)希望和失望反復(fù)上演的領(lǐng)域

1911 年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た帧の虄?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）借助 ?269 °C 的液氦發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)這個(gè)神奇現(xiàn)象后，研究者們就開始用極低溫這個(gè) “工具” 挨個(gè)實(shí)驗(yàn)元素周期表上的材料，發(fā)現(xiàn)只要溫度夠低，大多數(shù)元素都能超導(dǎo)，而且具備物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納（Walther Meissner）等人在 1933 年發(fā)現(xiàn)的抗磁性特征。

但很快瓶頸就出現(xiàn)了，研究者們意識(shí)到，他們發(fā)現(xiàn)的材料實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的最高溫度都在 -243°C 以下。就像現(xiàn)在許多研究者宣布找到了室溫超導(dǎo)材料一樣，當(dāng)時(shí)有不同的研究團(tuán)隊(duì)宣布找到了臨界溫度更高的超導(dǎo)材料，但也難以被復(fù)現(xiàn)。

-243°C 成了當(dāng)時(shí)科學(xué)家普遍認(rèn)為的極限，它像一張玻璃穹頂籠罩著行業(yè)，使許多研究人員認(rèn)為此路不通，甚至轉(zhuǎn)行，超導(dǎo)研究一度陷入低谷。

直到 1986 年，人類發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象 75 年后，IBM 的研究人員格奧爾格·貝德諾茲（Georg Bednorz）等人靠陶瓷材料打破了超導(dǎo)的溫度限制，開啟了 “高溫超導(dǎo)” 研究時(shí)代。

所謂的高溫超導(dǎo)其實(shí)也只是相對(duì) “高溫”，這些超導(dǎo)材料需要的最高溫度仍在零下 -196 °C。但近 50 度的溫度差帶來(lái)了一大好處，超導(dǎo)材料的冷卻工具變成了液氮，它比最初用作冷卻超導(dǎo)材料的液氦便宜了超 90%。

這次突破的更大意義還在于，它打破了研究人員心中的自我設(shè)限，使更多人敢于追逐比高溫超導(dǎo)更有野心的目標(biāo)：“室溫” 超導(dǎo)體。

室溫又比 “高溫” 的溫度范圍高了一大截，它指地球上的正常環(huán)境區(qū)間，行業(yè)通常默認(rèn)是 27℃ 。最近這十多年，多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)宣稱實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，甚至還有研究者和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩次：

2016 年，德國(guó)萊比錫大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在《新物理學(xué)報(bào)》（New Journal of Physics）上發(fā)表論文，稱在巴西的一個(gè)石墨礦里找到了室溫超導(dǎo)體。2018 年，印度科學(xué)理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在 arXiv 上發(fā)布論文，宣稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)材料，并公布了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2020 年、2023 年，羅切斯特大學(xué)物理學(xué)教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）兩次在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布找到了室溫超導(dǎo)材料，但需要高壓環(huán)境。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)遷在《超導(dǎo) “小時(shí)代”》一書總結(jié)了這些 “室溫超導(dǎo)體” 研究的共性：“很難經(jīng)得住推敲和考證，它們很難被重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證——有的根本沒(méi)有公布成分結(jié)構(gòu)或者制備方法，有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極有可能是假象，有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極有可能不可靠。”

最后的結(jié)果就是，這些所謂重大突破被拋在一旁。比如蘭加·迪亞斯 2020 年發(fā)表在《自然》雜志上的論文因?yàn)橥匈|(zhì)疑太多被迫撤回。

希望與期待還是更多一些

“為什么室溫超導(dǎo)這么難？” 聽到這個(gè)問(wèn)題后，孫悅沉默了一下，說(shuō)：“我也不知道?！?/p>

這可能就是室溫超導(dǎo)體研究最難的地方，哪怕是資深的研究者都沒(méi)有什么好的研究思路，因?yàn)槿祟惼襁€沒(méi)有完全理解超導(dǎo)體的原理。

與量子物理研究相比，超導(dǎo)體研究過(guò)程中，理論研究時(shí)常落后材料的發(fā)現(xiàn)。翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象后數(shù)十年，研究者們都很難理解這些元素為什么在極低溫狀態(tài)下沒(méi)有電阻。

愛因斯坦、海森堡、波爾、泡利等量子物理領(lǐng)域的頂級(jí)物理學(xué)家都嘗試過(guò)提出解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的理論，最后均無(wú)功而返。直到 1957 年，物理學(xué)家約翰·巴?。↗ohn Bardeen）、萊昂·庫(kù)珀（Leon Cooper）等人提出的 BCS 超導(dǎo)理論才對(duì)超導(dǎo)有了微觀層面上的解釋力，并得到同行認(rèn)可。而隨著高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論局限性也展現(xiàn)出來(lái)。

“某種程度上說(shuō)，它們甚至超出了物理學(xué)家目前的認(rèn)知和掌控能力?！?羅會(huì)遷在書中寫道：“一萬(wàn)個(gè)理論物理學(xué)家，就有一萬(wàn)套高溫超導(dǎo)理論，哪怕數(shù)據(jù)其實(shí)只有一份?！?/p>

這意味著，高溫超導(dǎo)尤其是室溫超導(dǎo)研究是一個(gè)充滿偶然發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。現(xiàn)在幾類重要的超導(dǎo)材料，如銅基超導(dǎo)和鐵基超導(dǎo)，都是由非超導(dǎo)研究者在其他研究中無(wú)心發(fā)現(xiàn)。許多人調(diào)侃尋找室溫超導(dǎo)體就像 “煉丹” 一樣，并非沒(méi)有道理。

不過(guò)在尋找材料的過(guò)程中，研究者們也會(huì)借助一些輔助工具，就像超導(dǎo)現(xiàn)象剛發(fā)現(xiàn)時(shí)的 “極低溫”，在研究高溫、室溫超導(dǎo)體時(shí)，研究者們也找到了新 “工具”——壓力。

“不超導(dǎo)的材料，壓一壓，也許就超導(dǎo)了。已經(jīng)超導(dǎo)的材料，壓一壓，也許臨界溫度提高了。對(duì)于高溫超導(dǎo)體，再壓一壓，也許溫度上限就突破紀(jì)錄了。” 羅會(huì)遷在書中總結(jié)。

到目前為止，借助壓力這個(gè)工具做出來(lái)室溫超導(dǎo)材料的只有蘭加·迪亞斯的團(tuán)隊(duì)，但沒(méi)有同行能夠復(fù)現(xiàn)他們的研究。

充滿困難但可能會(huì)改變世界，室溫超導(dǎo)體也成了科幻作品的素材。電影《阿凡達(dá)》的設(shè)定中，潘多拉之所以能夠吸引地球人類的注意力，關(guān)鍵原因是那里有大量室溫超導(dǎo)材料。

在地球上，研究者能否發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體，會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)它，現(xiàn)在仍然是未知的?？梢源_定的是，人們時(shí)刻對(duì)它保持期待，并有研究者前赴后繼、想盡辦法去找到它。

在這個(gè)過(guò)程中，就像這些年屢次掀起的復(fù)現(xiàn)熱潮那樣，每一次新的可能性出現(xiàn)時(shí)，即使是持懷疑態(tài)度的謹(jǐn)慎研究者，也不會(huì)愿意缺席。

畢竟，沒(méi)有太多理論能幫研究者找到它的另一面，也意味著沒(méi)有理論確定找不到它。

室溫超導(dǎo)也是一個(gè)足夠重要，值得為之付出巨大嘗試努力的方向。它會(huì)是一把打開一連串寶箱的鑰匙。

對(duì)能大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料長(zhǎng)達(dá)百年的追逐，反應(yīng)著人類特性中光亮的一面：即使希望與失望反復(fù)發(fā)生，希望和期待還是更多一些。

題圖：受磁場(chǎng)影響懸浮的超導(dǎo)體。來(lái)源：羅徹斯特大學(xué)。

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