韓國(guó)團(tuán)隊(duì)室溫超導(dǎo)開啟人類新紀(jì)元？3小時(shí)內(nèi)交兩篇論文，樣品被指瑕疵

美國(guó)羅切斯特大學(xué)Ranga Dias團(tuán)隊(duì)的室溫超導(dǎo)研究疑云尚未消散，韓國(guó)量子能源研究中心（Q-centre ）、高麗大學(xué)等團(tuán)隊(duì)的研究人員再次投下一記“尚未經(jīng)同行評(píng)議”的重磅。研究團(tuán)隊(duì)宣布成功合成了世界上第一個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體，即在常壓條件下，一種改性的鉛-磷灰石(命名為L(zhǎng)K-99)能夠在127℃(Tc≥400k)以下表現(xiàn)為超導(dǎo)體。

鑒于室溫超導(dǎo)研究的挑戰(zhàn)性和重要性，此類“重磅”每次都掀起廣泛關(guān)注和討論。研究團(tuán)隊(duì)自己對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱，“我們相信，我們的新進(jìn)展將是開啟人類新紀(jì)元的全新歷史事件”。然而，正如此前Dias團(tuán)隊(duì)的研究，此次韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究也將經(jīng)受“時(shí)間的考驗(yàn)”。

讓事件更為撲朔迷離的是，上述新研究實(shí)際上關(guān)聯(lián)到兩篇論文。從時(shí)間線上來(lái)看，第一篇提交于7月22日7時(shí)51分，第二篇?jiǎng)t于7月22日10時(shí)11分提交，兩篇提交時(shí)間相差不足2.5小時(shí)的論文均發(fā)表在預(yù)印本系統(tǒng)arXiv，尚未經(jīng)同行評(píng)議。

兩篇文章作者人數(shù)不同，但有兩位重合。就論文本身內(nèi)容來(lái)看，第二篇更為詳盡。其中上述第二篇論文的作者之一、美國(guó)威廉與瑪麗學(xué)院的物理學(xué)教授Hyun-Tak Kim在接受采訪時(shí)則直接表示，第一篇論文里存在“許多缺陷”，并且未經(jīng)他的允許就被上傳了。

百年過去，超導(dǎo)何時(shí)“接地氣”

100多年前，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）為人類打開了超導(dǎo)這扇大門。1911年，昂內(nèi)斯在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K以下時(shí)，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零，而這并不是任何實(shí)驗(yàn)上的紕漏導(dǎo)致的。

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。

荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯? 視覺中國(guó) 資料圖

總體而言，零電阻是超導(dǎo)體的基本特征之一，此外一個(gè)重要的基本特征則是邁斯納效應(yīng)。繼昂內(nèi)斯上述發(fā)現(xiàn)20余年后，邁斯納在研究測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其內(nèi)部磁場(chǎng)為零，展現(xiàn)出完全抗磁性，這也就被稱為邁斯納效應(yīng)。

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。然而，發(fā)展至今，超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用基本局限于磁懸浮等少數(shù)特定場(chǎng)景下。此次韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)也提到，自昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找室溫超導(dǎo)體。

原因不難理解，維持材料超導(dǎo)性的極低超導(dǎo)Tc，這對(duì)大規(guī)模的應(yīng)用開發(fā)來(lái)說是一道極大的障礙。

科學(xué)家們?cè)谶@條改進(jìn)突破的路上已有過一些重大成果。上世紀(jì)80年代，銅基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將超導(dǎo)Tc帶到了超過40K；進(jìn)入21世紀(jì)之后，日本、中國(guó)等科學(xué)家在鐵基超導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)Tc的進(jìn)一步提升。

韓國(guó)團(tuán)隊(duì)同樣在論文中援引了Dias團(tuán)隊(duì)目前尚處于爭(zhēng)議中的研究，他們提出的由氫、氮、镥三種元素組成超導(dǎo)體，在大約10kbar（也就是1GPa，約相當(dāng)于1萬(wàn)個(gè)大氣壓）下可實(shí)現(xiàn)約294K（21℃）的室溫超導(dǎo)電性。

國(guó)際高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家朱經(jīng)武今年3月在接受媒體采訪時(shí)曾表示，過去，我們以為達(dá)到液氮溫度77K（-196度）以上就可以應(yīng)用了，但是在制備材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)有困難，成本太貴了。后來(lái)，克服了溫度，把溫度達(dá)到室溫后，發(fā)現(xiàn)要加很高的壓力，這又產(chǎn)生了問題。

可以說，過去的100多年時(shí)間里，超導(dǎo)領(lǐng)域始終處于不斷探索的途中。一條道路指向超導(dǎo)Tc，使其無(wú)限接近便于實(shí)際應(yīng)用的室溫；另一條道路則在于持續(xù)深入地挖掘超導(dǎo)背后的機(jī)理。

韓國(guó)版室溫常壓超導(dǎo)體，真突破還是“狼來(lái)了”

和3個(gè)多月前Dias團(tuán)隊(duì)的成果相比，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的超導(dǎo)體讓人“更難以置信”。不僅解決了溫度問題，他們的LK-99甚至不需要“高壓助手”。而127℃的Tc，不僅僅是數(shù)字上比以往研究進(jìn)一步大幅提高，更重要的是意味著其可應(yīng)用的溫度區(qū)間大大拓寬。

LK-99如何獲得？上述更為詳細(xì)的第二篇論文顯示，研究團(tuán)隊(duì)使用固相法合成了LK-99，合成原料為氧化鉛（PbO）、硫酸鉛（PbSO4）、銅（Cu）和鉛（P）。

目前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，LK-99的制備過程似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單。樣品合成過程具體包括三個(gè)步驟：第一步，將氧化鉛和硫酸鉛粉末在陶瓷坩堝中以各50%的比例均勻混合，混合粉末在725℃的爐中加熱24小時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。第二步，將銅和鉛粉末按比例在坩堝中混合，合成磷化亞銅，讓混合后的粉末處于相應(yīng)的真空封管狀態(tài)下，然后置于爐內(nèi)550℃加熱48小時(shí)。在此過程中，混合材料發(fā)生相變，形成磷化亞銅晶體。第三步，將上述兩步所得物質(zhì)磨成粉末，并在坩堝中混合，再將混合粉末真空封管，在925℃的爐內(nèi)加熱5至20小時(shí)。

摘自論文

研究團(tuán)隊(duì)稱，在此過程中，混合粉末反應(yīng)轉(zhuǎn)化為最終材料，一種灰黑色的銅摻雜的鉛-磷灰石，這種多晶材料也就是他們命名的LK-99。

他們總結(jié)稱，LK-99的超導(dǎo)性已經(jīng)通過超導(dǎo)臨界溫度Tc、零電阻率、臨界電流(Ic)、臨界磁場(chǎng)(Hc)和邁斯納效應(yīng)得到了證明。

研究團(tuán)隊(duì)提出，LK-99結(jié)構(gòu)與鉛-磷灰石非常相似，但由于晶格中出現(xiàn)了鉛被銅取代的現(xiàn)象，相關(guān)晶胞（反映晶體周期性和對(duì)稱性的最小重復(fù)單元）參數(shù)顯示LK-99與原始鉛-磷灰石相比有輕微的收縮，縮小率為0.48%。銅離子取代引起的應(yīng)力傳遞到圓柱體列的鉛，導(dǎo)致界面發(fā)生扭曲，從而形成超導(dǎo)量子阱。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，正是這種結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致了這種新材料非凡的超導(dǎo)性，而非溫度和壓力等外部因素。第一篇論文的作者們寫道，到目前為止，超導(dǎo)性與材料結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系還沒有得到很好的闡明。事實(shí)上，目前發(fā)現(xiàn)的影響超導(dǎo)體超導(dǎo)性產(chǎn)生的兩個(gè)主要因素是溫度和壓力。但溫度和壓強(qiáng)都會(huì)影響材料的體積，似乎在低溫或高壓下體積減小所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)引起微小的應(yīng)變或變形。

研究團(tuán)隊(duì)稱，雖然很難觀察到超導(dǎo)材料微小結(jié)構(gòu)的變化，但這種結(jié)構(gòu)變化似乎帶來(lái)了它的超導(dǎo)性。

值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)還專門上傳了一段視頻，以證明LK-99在磁鐵上懸浮的情況，這也就是邁斯納效應(yīng)。不過，這塊扁平的、像硬幣一樣的材料的懸浮情況并不是十分完美，仍有一邊似乎接觸磁鐵。就該情況，Hyun-Tak Kim稱，這表示樣品并不完美，只有一部分成為超導(dǎo)體并表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)。

盡管Hyun-Tak Kim目前的態(tài)度透露著該項(xiàng)研究背后作者們的“想法各異”，但他對(duì)外界的質(zhì)疑表示接受，認(rèn)為其他研究人員應(yīng)該嘗試復(fù)制他們團(tuán)隊(duì)的工作來(lái)解決目前的疑問。與此同時(shí)，Hyun-Tak Kim還表示其和其他同事們將繼續(xù)完善目前的工作，并向大規(guī)模生產(chǎn)邁進(jìn)。

另外值得關(guān)注的是，這次的“子彈”或許不用飛太久。按照目前領(lǐng)域內(nèi)的說法，鑒于上述新材料制備簡(jiǎn)單，或許已有大批重復(fù)工作已在路上。