7 月 23 日，一支韩国的科研团队在预印本网站 arXiv 上传了两篇论文，宣称其实现了临界温度超过 400K（约127℃）常压常温超导。


消息一出，众声喧哗，各国科研团队纷纷加入了这场“手搓”常压常温超导实验的复现。



历经几次复现实验的“仰卧起坐”，华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，成功首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体，该晶体悬浮的角度比韩国科研团队获得的样品磁悬浮角度更大，有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。


研究人员用一个小型磁铁在样品下方移动，观察样品是否有磁悬浮的现象。实验结果显示，样品在磁铁的正负极下都出现相斥的现象。



截稿前，该视频在 B 站的播放量达到了 710 万，且还在源源不断地增加，四大天坑专业命运的齿轮似乎将再次转动。


“炼丹”炼出超导体？


事实上自韩国团队发表该论文以来，由于实验结论令人震惊，不少研究学者第一时间对此提出质疑。


牛津材料科学教授 Susannah Speller 表示：“目前还为时过早，我们还没有得到这些样本超导性的有力证据。”


美国阿贡国家实验室理论物理学家 Michael Norman 尖锐批评道：“他们做实验的方式更像是业余爱好者。”


南京大学闻海虎教授在采访中也委婉称：“目前没有强烈的证据表明这是常温常压超导材料，想要验证真假还需等待科研团队的实验结果才能判断。”


LK-99


与常规超导不同，常压常温超导需要符合几个条件。简单点理解就是高温（在室温下就能超导）、稳定（常规大气压力下保持超导状态，不受外部条件影响而失去超导性）和容易制造（通过普通的方法制造，而不需要使用特殊的设备或条件）。


有意思的是，各国科研团队下场的复现结果也不尽相同。



北京航空航天大学的科研团队采用电阻测试法来验证样品的超导性。


结果显示，尽管他们合成的样品与此前韩国团队公布的 LK-99 在化学式上完全一致，但他们没有观察到该样品存在明显的超导现象，甚至存在了类似半导体的特性。


东南大学教授孙悦在 B 站“科学调查局”频道公布了在常压常温下复现超导实验的全流程，结果显示样品具备微弱的抗磁性，但并无超导磁悬浮现象。


另一部分科研团队虽然宣称复现了 LK-99 的抗磁性，但“抗磁性”只是超导体材料的必要非充分条件，换言之，超导体材料都有“抗磁性”，但有“抗磁性”的不一定是超导体，完美实现常压常温下的零电阻性也是值得关注的焦点之一。


实现磁悬浮的超导体


如上文所说，华中科技大学常海欣教授团队虽然首次验证合成了可实现磁悬浮的 LK-99 晶体，但是超导性和通量量子化还有待验证。


不过，也有研究团队认为 LK-99 有可能是超导体。


美国劳伦斯伯克利国家实验室通过计算机模拟的方法对 LK-99 的理论机制进行了验证，认为 LK-99 有可能在室温环境压力成为超导体。



计算机模拟的结果显示，在铜原子替换磷灰石材料中的部分铅原子后，铜的电子能量状态会变成平坦、窄的带状分布，科学家认为这是实现高温超导的一个重要信号。


科研团队也发现，计算结果中显示铜质的磷灰石具备很多有利于产生超导的条件，因此认为其结果具备研究前途。


面对种种质疑，韩国科研团队第二篇论文的第三作者 Hyun-Tak Kim 此前在接受《每日经济新闻》的采访时表示，他的团队此前发现了论文中的一个错误，现在已经被修改。他补充道：“制造的 LK-99 常压常温超导材料或许可以在一个月之内被复制。”


还有消息称，韩国科研团队可能因为内讧矛盾而隐藏了关键工艺，所以才导致目前复现实验的样品超导含量相对没有那么高。



眼尖的网友在一篇论文《无限层结构的高Tc氧化物超导体》中扒出了疑似被韩国团队隐藏的退火冷却细节。


其分析指出，稳定的内部高压才能使内部的电子有序快速移动，这是超导的必要环境。


在数不胜数的实验中，韩国科研团队成员 Kim 偶然间发现，当装有样品的石英管在从熔炉中取出后的某一瞬间产生裂缝，此时氧气得以被引入时，才能稳定制备出带有超导性的成品。


目前与 LK-99 有关的消息层出不穷，LK-99 到底是不是解锁人类科技的钥匙，还需要更多的时间去做缜密的论证，所以请不要过分紧张，明天一觉醒来还不会有人飞出银河系。


不可否认的是，常压常温超导材料一旦面世，则将意义深远，不亚于迎来新一轮的工业革命。


例如，在能源领域，常压常温超导材料的应用可以改善电力输送网络的效率，推动超导发电机和风力涡轮机等可再生装置得到更高效的运行，减少能源损失；


在交通领域，超导材料的零电阻特性可以用于高效的磁悬浮列车系统，从而实现更快速、更节能的交通方式；


中国科学院全超导托卡马克核融合实验装置


在医疗和科学研究领域，常温常压超导的应用还可能推动磁共振成像（MRI）和其他医学成像技术的发展，以及用于科学研究的先进磁体和探测器的制造；


如果我们脑洞再大一点的话，超导特性还将会颠覆既有的产品设计与材料/技术采用，不再需要散热系统、光纤/高阶 CCL 被取代等等，这时即使是小如 iPhone 的手机设备，也能拥有与量子电脑匹敌的运算能力。


但在此之前，你真的了解超导是什么吗？


室温超导为什么是“物理学圣杯”？


1911 年，科学家昂尼斯把稀有气体氦气降到了 4.2K（约 -270°C）的低温，让氦气液化，再用液氦去处理金属汞，这时候昂尼斯测量汞的电阻发现，金属汞的电阻随着温度下降逐渐变小，然后突然消失，变为了 0，成为了一种超级导电材料，后来人们就把这种现象称之为超导。


科学家昂尼斯


这是每个接受过九年义务教育的人都听过的物理学历史。每一个物理老师在讲到超导这一章时眼里都散发着光，像传教士一样把超导的意义和实现室温超导后的美好未来描绘给学生，让超导的故事代代相传。


从某种意义上来说，超导具备了一个童话故事所必备的要素，即超常的反现实情节和几近夸张的描写—— 0 电阻与常理相违背，超级苛刻的制备条件又增添了神秘色彩，更不用说超导实现后会给人们带来真真切切的影响。


这些种种因素叠加在一起，让超导成了最容易破圈的前沿物理概念之一，它的传播阻力比希格斯玻色子、引力波、暗物质等“生僻”名词低得多。不过，当我们要讨论到底什么是超导，超导的原理是什么，可能就触及到大部分人的知识盲区了。


要回答这个问题，我们得先搞清楚电阻是怎么产生的。



以金属为例，金属内部有带有正电的晶格，外层则是随意移动的电子，当我们外加电场之后，自由电子移动的过程就形成了电流。


在这个过程中，一些自由电子有可能撞到晶格上，把一部分的能量传递给了晶格，晶格再震动产生热量，这便是电阻发热的整个过程。


在昂尼斯发现超导现象之前，科学界对影响电阻的因素争论不休，科学家马西森认为当导体的温度降到足够低时，晶格的振动会减弱，电阻会下降但不会降至 0，另一位科学家开尔文认为当温度下降的时候电阻会先降低，然后到某一温度电阻又升高，因为温度太低时电子也被“冻住”了移动受限。



科学家杜瓦则认为，随着温度的下降，电阻会逐渐的降为 0，最终昂尼斯的实验证明杜瓦的观点是正确的。


事实上，仅是为了研究超导体是否真的电阻降为了 0，还是电阻很小导致仪器测不出来的问题，科学家们就做了大量的实验研究来论证，我们不再赘述。


这里想要强调的是，虽然超导现象很容易理解，但经历了上百年的超导研究本身是一项非常严谨且深奥的学术工作，如果在没有足够论证材料的前提下妄下结论，甚至借题发挥，只会让“超导”一词成为像红外、量子等被民科过度消费的学术名词。


1933 年，科学家迈斯纳发现了超导体的另一个重要现象：超导体完全抗磁，又可以称之为迈斯纳效应。



普通物体放置在磁场内，可以被磁场穿通过去，但把超导体放在磁场内会发现， 磁场会被完全隔绝（I 类超导体）或部分隔绝（II 类超导体）在外面，有着很强的抗磁性。


有理论解释这是因为超导体内部会产生电流，从而形成一个磁场与外部磁场抵消了，因此可以实现抗磁性。


这是一片热解石墨材料


值得注意的是，抗磁性并非超导体特有的特性，像热解石墨等材料也会出现抗磁性，因此要验证超导体材料最严谨的方式还是测量材料电阻。


1957 年，三位科学家 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 提出了著名的 BCS 理论解释超导现象。


BCS 理论认为，在低温下，材料中存在着电子之间的相互吸引力，而这种吸引力会导致电子形成一种特殊的配对状态，被称为 Cooper 对。



在正常条件下，电子之间会相互碰撞，导致电阻。但在超导态下，这些电子抱团形成的 Cooper 对不会像单个电子那样随机运动，而是以一种集体的方式协同运动。


这时候 Cooper 对可以成团地在晶格之间穿梭，不会受到晶格的干扰，这就是为什么超导体在低温下能够无阻碍地传导电流。



超导现象得到解释后，科学界在 1980 年代开始了“超导竞赛”，超导体的临界温度从 40K 提升到了 77K、90K 再到 125K（约 -148°C），再后来科学家们开始给材料加超高压，让材料可以在更高的温度进入超导态。



2018 年德国的研究团队制作的十氢化镧材料在 170 万倍大气压、250K（约-23°C）的条件下实现超导，这是目前最接近室温超导的材料。


和其他超导材料相比，LK-99 的晶体结构、制造方法和超导条件都是异乎寻常的，它值得科学界投入更多的精力去论证，我们也可以借着这一次风波对超导这种有趣的物理现象做一个简单的了解，这就够了。


它只是人类在钻木取火过程中突然出现一个小闪光，也许是火苗，也可能是钻太久了眼神恍惚。


请警惕那些“今天实现磁悬浮，明天完成超导托卡马克核聚变，后天向猎户座进发”的鼓吹言论，要知道的是，LK-99 都还没通电呢。


本文来自微信公众号：爱范儿 （ID：ifanr），作者：崇宇、泽钧、智健