室溫超導疑云始末

林志佳

ChatGPT大模型熱度剛剛下降，韓國、美國和中國的科學家們又因“室溫超導”技術(shù)話題激起了科技圈新一輪的爭議與關(guān)注。

北京時間8月1日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）團隊在arXiv平臺提交了一篇題為《銅取代磷酸鉛磷灰石中相關(guān)孤立平帶的起源》論文，利用超級計算機模擬發(fā)現(xiàn)銅取代磷灰石中的鉛時引起結(jié)構(gòu)畸變，其結(jié)果支持一周前韓國科研團隊發(fā)現(xiàn)室溫超導體LK-99晶體的實驗成果，晶格參數(shù)與此前實驗結(jié)果相差1%。

這是全球首個證實“常溫常壓超導體”理論可行的相關(guān)論文，為“室溫超導”材料的技術(shù)研究提供了新的方向和啟示，有望推動千億規(guī)模的室溫超導產(chǎn)業(yè)應用發(fā)展。

一周前，韓國科研團隊利用摻雜銅的鉛磷灰石材料LK-99晶體稱實現(xiàn)了“室溫超導”現(xiàn)象，學術(shù)界則對此爭議頗多，多個團隊進行“復現(xiàn)狂潮”以證偽。

除了美國團隊之外，8月1日下午，中國的華中科技大學材料學院團隊也成功首次驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體，俄羅斯科學家Iris Alexandra也成功復現(xiàn)，但印度國家物理實驗室團隊兩次復現(xiàn)均失敗，中國科學院物理所、華中科技大學另一團隊實現(xiàn)了未經(jīng)證實的部分復現(xiàn)。

早在2020年《科學》雜志發(fā)文稱，“終于，室溫超導實現(xiàn)了”，但在之前，美國迪亞茲的“室溫超導”實驗卻都無法實現(xiàn)復現(xiàn)，整體是失敗的。

值得一提的是，8月2日有消息稱，韓國“室溫超導”論文作者李碩裴（Sukbae Lee）表示，論文存在缺陷，系團隊中的一名成員、Young-Wan Kwon教授未經(jīng)其他作者許可擅自發(fā)布，目前團隊正向arXiv要求下架論文。

有趣的是，ChatGPT之父、OpenAI CEO Sam Altman則直接發(fā)文吐槽：一個月前大家關(guān)注的是馬斯克（Elon Musk）和馬克·扎克伯格的社交軟件爭斗，而現(xiàn)在，人們卻因可能將擁有一個真正的室溫超導體而驚呆了。

受此消息影響，資本市場相關(guān)概念股似乎已經(jīng)提前“沸騰”了。8月1日美股，風力渦輪機電子控制系統(tǒng)公司美國超導一度漲超100%；而國內(nèi)超導個股永鼎股份、法爾勝、百利電氣上漲20%觸及漲停板。

歷經(jīng)192個小時的“室溫超導”爭議和反轉(zhuǎn)

公開資料顯示，室溫超導體全稱為超導電性，又稱常溫超導體，是指可以在高于0攝氏度的溫度有超導現(xiàn)象的材料。而超導體的一個特性是“零電阻”，亦即電流通過時，沒有因為受到任何阻力而導致?lián)p失，因此，這是一種革命性的材料。

多年來，尋找一種無需極低溫或者極高壓就可以使用的超導體是超導界的一大夢想。

1908年，荷蘭物理學家昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功液化了氦氣，并獲得了接近絕對零度的低溫4.2K（約-269攝氏度）。1911年，昂尼斯等人用液氮冷卻金屬汞時發(fā)現(xiàn)，汞的電阻在溫度降至4.2K左右時急劇下降至消失，具備完全導電性，1913年昂尼斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也和汞一樣具有超導性。同年由于對物質(zhì)在低溫狀態(tài)下性質(zhì)的研究以及液化氦氣，昂內(nèi)斯被授予1913年諾貝爾物理學獎。

而超導的概念隨之而來。

此前，超導體必須在極低溫環(huán)境下工作，技術(shù)分類主要有4種：低溫超導，需要在40K（約-233.15℃）以下液氮溫度才能達到超導狀態(tài)，常見低溫超導體包括鈮鈦合金、鈮鋁合金等；金屬超導，常見的金屬超導體包括鉛、鋁、汞等，需要非常低的溫度才能實現(xiàn)超導；鐵基超導；銅氧化合物超導，是銅氧化物（cuprates）為主要成分的超導材料，優(yōu)勢在于超導轉(zhuǎn)變溫度相對較高，可以在液氨溫度以上實現(xiàn)超導。

1987年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種含銅的超導體，其工作溫度為零下196攝氏度。后續(xù)實驗最終將超導溫度提高到零下140攝氏度。

從學術(shù)界角度看，目前，全球并沒有研發(fā)出真正實用的室溫超導體及材料，所以很多科學家開始不斷實驗，尋求全球首個常溫超導體以實現(xiàn)“革命性技術(shù)突破”，主要由于超導體被用于為粒子加速器和核磁共振設備中磁鐵提供動力，它們是量子計算機的基石，而量子計算機的性能最終可能超過世界上最好的超級計算機，如果它們不需要低溫從而更容易操作和制造，產(chǎn)業(yè)影響可能會更廣泛。

2023年以來，主要有兩個事件催化了“室溫超導”引起廣泛關(guān)注：美國迪亞茲室溫超導成果爭議和韓國科研團隊的實驗。

今年3月7日，美國紐約羅切斯特大學物理學家朗加·迪亞茲（Ranga Dias）在美國物理學會年會上介紹研究新進展，稱團隊創(chuàng)造出的超導可在室溫和相對較低的壓力下工作。

這不是迪亞茲第一次將室溫超導公之于世。2020年，迪亞茲發(fā)布論文稱，已經(jīng)在實驗室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學合成簡單的碳質(zhì)硫氫化物（CSH），并將其超導臨界溫度提升至15℃。然而，Nature認為迪亞茲的數(shù)據(jù)處理方式有問題，其實驗結(jié)果也未能成功復現(xiàn)，因此該篇論文以被撤稿告終。

而今年迪亞茲的最新論文聲稱，要在1萬倍大氣壓下才能實現(xiàn)室溫超導，但最后全球沒有實驗室實現(xiàn)該研究的復現(xiàn)，暫時被證偽。

時隔4個月后的7月23日，韓國科學技術(shù)研究院（KIST）量子能源研究中心團隊在未經(jīng)同行評議的預印版論文平臺arXiv上發(fā)布了一篇題為“首個室溫常壓超導體”的論文，描述稱實驗發(fā)現(xiàn)了一種名為LK-99的新型室溫超導體。該論文還伴隨著arXiv上的姊妹論文、一篇韓國期刊上的論文、一個獲得超導體的證明視頻以及一項專利申請。

其中，第一篇（arXiv： 2307. 12008）的提交人是署名高麗大學教授Young-Wan Kwon，剩下兩位署名作者為Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim，截至目前該室溫超導論文進行了一次修訂，論文共有22頁；而第二篇（arXiv：2307.12037）的提交人是Hyuntak Kim（來自威廉-瑪麗學院），有6人署名。

鈦媒體APP了解到，上述兩篇文章的內(nèi)容大體相同，都是宣稱發(fā)現(xiàn)了第一種室溫常壓超導體，其中第二篇文章內(nèi)容更豐富一些，提供了材料合成的詳細方法，展示了磁懸浮現(xiàn)象，并更詳細地推測了導致這種常溫超導現(xiàn)象的機理。

論文顯示，韓國科研團隊在材料合成部分采用“改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（下稱LK-99，一種摻雜銅的鉛磷灰石）”，合成方法直接、簡單、便宜，甚至能在常壓下127攝氏度實現(xiàn)超導，研究過程核心為以下三個步驟。

第一步：用摩爾比1：1的氧化鉛和硫酸鉛粉末在725攝氏度和10-3 Torr（真空度測量）條件下發(fā)生固相化學反應，合成黃鉛礬。

第二步：在550攝氏度和10-3? Torr條件下合成磷化亞銅（第一、二步可獨立進行）。

第三步：第一、二步的產(chǎn)物研磨成粉末后，在10-3 Torr條件下，加熱到925攝氏度，合成摻Cu的鉛磷灰石（即LK-99）。

與迪亞茲成果后面的反饋類似，由于韓國團隊的實驗過程簡單直接，而且論文有部分錯誤信息，數(shù)據(jù)也不太全，缺乏經(jīng)驗，尤其電阻測量給出的是不同溫度下的IV曲線電流I太小了、電阻率測量精度不夠等，所以多位業(yè)內(nèi)專家對此表示質(zhì)疑。

據(jù)央視，南京大學超導物理和材料研究中心主任聞?；⒄J為，韓國團隊所展示的并非超導現(xiàn)象，而是“超導假象”，主要原因在于實現(xiàn)超導的零電阻、完全抗磁性（邁斯納效應）兩個特性，論文結(jié)果并不完全符合條件。

韓國團隊所展示的并非超導現(xiàn)象，而是“超導假象”，主要原因在于實現(xiàn)超導的零電阻、完全抗磁性（邁斯納效應）兩個特性，論文結(jié)果并不完全符合條件。

論文想從三個方面說明有超導：電阻測量、磁化測量和磁懸浮。

其中，電阻測量通常使用“四探針法”，主要是該方法是接觸式比較穩(wěn)定，但根據(jù)去年他們發(fā)表的韓國期刊文章看出，電極是用4個尖銳的針尖測量的，這種測量有時候會出問題的，因為是針尖，所以接觸各個方面都有問題，但是它現(xiàn)在顯示出來這個所謂電阻的數(shù)據(jù)，沒有一個是非常穩(wěn)定的噪音狀態(tài)的零電阻，其數(shù)據(jù)隨著溫度變來變?nèi)?，所以?shù)據(jù)還是比較存疑的。

磁化數(shù)據(jù)確實看到抗磁，但其他材料抗磁性使用超導量子干涉器件儀器測量，如果信號大的時候一般是沒有錯的，信號小的時候往往會給出這個假象。超導有它本身具有特定形狀的磁滯回線，是任何其他材料沒有的內(nèi)容，但該文章中沒有發(fā)現(xiàn)這個數(shù)據(jù)信息。所以在磁化測量上，盡管有抗磁，但這個抗磁本身是不是超導還不好說。

最后是磁懸浮。磁懸浮是第二類超導體一個典型的特征，在一個磁體上面當達到一個穩(wěn)定態(tài)的時候，超導體和磁體之間是穩(wěn)定的，而且把它壓進和把它拿開都是不容易的，都要用力的，現(xiàn)在它顯示的磁懸浮不太像超導的磁懸浮，而是有某種抗磁性+重力一個平衡以后所達到的磁懸浮態(tài)。

“所以我感覺從以上三點看的話，目前沒有強烈的證據(jù)說明它是超導?！甭労；⒈硎?。

牛津材料科學教授Susannah Speller認為，“目前還為時過早，我們還沒有得到這些樣本超導性的有力證據(jù)”，因為缺乏超導性的明確標志，如磁場響應和熱容量。其他專家也對數(shù)據(jù)可能被“實驗過程中的錯誤和LK-99樣本的缺陷”解釋表示擔憂。

值得注意的是，該研究工作是由Sukbae Lee和Jihoon Kim兩位韓國科學家主導，兩位都畢業(yè)于高麗大學化學系。所謂LK-99，LK其實就是這兩位科學家姓的首字母，而99則是他們相信找到這種材料的時間（1999），甚至他們還成立了一家量子能源研究中心（Q-Center）來運作該超導體制備實驗。

但是，第一篇的3位論文作者之間并未達成協(xié)議，產(chǎn)生了“內(nèi)訌”。

據(jù)韓聯(lián)社7月28日報道，Sukbae Lee電話表示，Young-Wan Kwon教授未經(jīng)其他作者許可，擅自將其發(fā)表在arXiv上，并堅稱自己“要求將論文下架”。他還透露，研究教授Kwon曾擔任量子能源研究所的首席技術(shù)官（CTO），但他在4個月前辭去董事職務，目前與公司沒有關(guān)系。另據(jù)高麗大學一位人士稱，Kwon教授已經(jīng)與學校失去了聯(lián)系。

Jihoon Kim博士則表示“這兩篇論文存在很多缺陷，是未經(jīng)他許可發(fā)表的”。據(jù)悉，此前Sukbae Lee、 Jihoon Kim和Young-Wan Kwon曾希望該論文申請到Nature 發(fā)表，但被拒絕了，而3人申請了專利，專利在2023年3月獲得通過并公開。

然而，論文發(fā)布8天（192個小時）后的今天，事情發(fā)生了反轉(zhuǎn)，中美俄科學家同日成功復現(xiàn)“室溫超導體”。

8月1日，arXiv平臺至少發(fā)布了4篇關(guān)于超導體的論文，其中一篇就是美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）納米結(jié)構(gòu)材料理論研究員西妮德·格里芬（Sinéad Griffin）的論文，其團隊對韓國團隊實驗進行復現(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LK-99晶體可以實現(xiàn)“室溫超導”。

論文顯示，格里芬團隊使用美國能源部的超級計算機進行了模擬，通過密度泛函理論（DFT）和GGA+U方法進行了計算，發(fā)現(xiàn)當銅取代磷灰石中的鉛時引起了結(jié)構(gòu)畸變，從而導致費米能級的孤立平帶 （已知高溫超導體的常見標志），即存在超導體家族中高轉(zhuǎn)變溫度的共同特征。所有計算結(jié)果均與韓國LK-99晶體實驗結(jié)果相似，晶格參數(shù)與實驗結(jié)果相差1%。

這一實驗結(jié)果為近期韓國團隊所謂的“室溫常壓超導材料”提供了理論依據(jù)，給超導材料的研究提供了新的方向和啟示。

據(jù)悉，LBNL隸屬于美國能源部的國家實驗室，1931年建立至今共培養(yǎng)了15位諾貝爾獎得主。據(jù)Nature Index，該實驗室在物理和化學領(lǐng)域的影響力排名世界第一。

論文中提到，其通過超級計算機模擬過程中，使用一種密度泛函理論計算，并展示了計算出的自旋極化電子結(jié)構(gòu)。最終理論結(jié)果表明，韓國團隊的LK-99材料在理論層面上確實有可能具有“室溫超導”的特性。不過，這需要銅滲透到分子中特定的位置才能實現(xiàn)超導，這意味著該材料要在現(xiàn)實中進行合成制備具有較高的難度。

不止于此，美東時間周一（7月31日），美國佛羅里達州的一家公司泰吉量子（Taj Quantum）也宣稱研發(fā)出室溫超導體，并且已獲得專利。其首席執(zhí)行官Paul Lilly表示，他們的超導材料是一種石墨烯材料的II型超導體，可以在常壓下工作，但這家公司沒有公布任何實驗數(shù)據(jù)或者論文來證明他們的超導材料的性能和原理，也沒有其他科學家復制或者驗證他們的實驗。

俄羅斯方面，俄羅斯科學家Iris Alexandra成功制備出了具備常溫抗磁性的LK-99晶體，而常溫抗磁性正是超導晶體的標志之一，其結(jié)果在Twitter上發(fā)布。

此外，8月1日，中國科學家也成功復現(xiàn)了韓國團隊的實驗。

經(jīng)華中科技大學常海欣教授確認，B站UP主“關(guān)山口男子技師” 1日上傳一個關(guān)于LK99驗證的視頻，展示了一塊幾十微米的樣品，使用汝鐵硼磁鐵放在材料下，NS極均可以讓材料展示抗磁性。

視頻稱，該研究是在華中科技大學材料學院常海欣教授指導下，博士后武浩、博士生楊麗驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。該晶體懸浮的角度比韓國量子能源研究中心Sukbae Lee等人獲得的樣品磁懸浮角度更大，有望實現(xiàn)真正意義的無接觸超導磁懸浮。

截至發(fā)稿前，視頻總播放次數(shù)已經(jīng)超過150萬，并獲得華中科技大學B站官方賬號點贊，嗶哩嗶哩董事長陳睿也在評論區(qū)留言：“牛（3個大拇指）”。

不過，除了上述這些論文，根據(jù)網(wǎng)友公開實驗數(shù)據(jù)和視頻稱，重復實驗中合成的LK-99表現(xiàn)出一定的抗磁性，但未觀察到超導現(xiàn)象或超導磁懸浮現(xiàn)象。

中國科學院金屬研究所孫巖表示，他們主要進行了理論計算，從計算結(jié)果來看，LK-99有室溫超導的可能性，“但是不confirm（不是證實）”。而北京航空航天大學材料科學與工程學院研究團隊對合成的LK-99檢測發(fā)現(xiàn)，它的室溫電阻不為零，也沒有觀察到它發(fā)生磁懸浮。

總結(jié)來說，韓國團隊的LK-99室溫超導體實驗，在理論上是可行，但合成難度極高、復現(xiàn)概率太小。成功復現(xiàn)磁懸浮只能證明LK-99具有一定的抗磁性，并不能證明它具有韓國團隊宣稱的室溫超導特征。

◎ 來源|鈦媒體