東方網(wǎng)記者范易成8月7日報道：7月22日，韓國一科研團隊在arXiv 網(wǎng)站發(fā)表論文,宣稱發(fā)現(xiàn)了全球首個室溫超導材料LK-99，在全球科學界引發(fā)“巨震”。如今兩周過去，在這期間，多國團隊進行了復現(xiàn)實驗，資本市場超導概念股經(jīng)歷了“過山車”行情，對這一發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑之聲甚囂塵上，事件逐漸“出圈”引發(fā)全網(wǎng)關注……
那么，室溫超導究竟是什么？為何此次的“發(fā)現(xiàn)”能引起這么大的熱度？現(xiàn)階段復現(xiàn)實驗結(jié)果如何？室溫超導如果實現(xiàn)會給生活帶來哪些影響？在超導領域國內(nèi)已經(jīng)有了哪些應用？面對紛雜的信息，也許這些科普你應該先知道！
來自韓國團隊的突破性“發(fā)現(xiàn)”
(資料圖片僅供參考)
事情起源于7月22日，韓國量子能源研究所研究團隊在arXiv（論文預印本的網(wǎng)站，與傳統(tǒng)學術(shù)期刊不同，允許學者在論文進行同行評議之前分享研究成果）上發(fā)布了兩篇論文，聲稱在常壓條件下，一種改性的鉛磷灰石材料能夠在400K（127℃）以下表現(xiàn)為超導體。這種材料以兩名論文作者名字的首字母命名為LK-99。
韓國團隊發(fā)布的論文原文
論文中展示了材料樣品
全球科學界為何“巨震”，重點在于“室溫超導”
要搞懂這一事件，先得知道什么是超導，以及室溫超導的意義。
超導，指導體在某一溫度下，電阻為零的狀態(tài)。人們把處于超導狀態(tài)的導體稱之為“超導體”。導體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。所以，超導體有兩個基本的特性：零電阻及完全抗磁性。
超導體其實早已存在
1991年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）在研究中發(fā)現(xiàn)，當溫度降到4.2K以下時，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零。汞成為了科學家發(fā)現(xiàn)的第一個超導體，其超導Tc（critical temperature臨界溫度）為4.2K（-268.8℃）。所謂的超導Tc即超導轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導體由正常態(tài)進入超導態(tài)的溫度。
超導材料被發(fā)現(xiàn)之初，大家都認為其只有零電阻這一個特性。直到1933年，瓦爾特·邁斯納發(fā)現(xiàn)，在固定的外磁場下，把超導體材料由正常態(tài)變?yōu)槌瑢B(tài)時，所有的外磁通都被自動地排出體外，這個現(xiàn)象也被稱為邁斯納效應，既完全抗磁性。
韓國團隊公布的視頻，展示材料的抗磁性
電阻是零，磁感應也是零，擁有這兩個特性的超導體目前已經(jīng)被應用在能源、交通、醫(yī)療等領域，如人們所熟知的磁懸浮列車、磁共振成像設備(MRI)等。
弄清了超導之后，那室溫超導又有何重大意義？
針對這一問題，東方網(wǎng)記者采訪了上海交通大學電氣工程系高溫超導應用團隊的盛杰副教授。
盛杰告訴記者，現(xiàn)有的超導材料需要在嚴苛的環(huán)境下才能表現(xiàn)出超導特性，比如極低溫或者超高壓力的環(huán)境。而要維持這樣的環(huán)境，成本非常高，這也成為實際應用中的難點?！俺瑢КF(xiàn)象發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)過去了110多年，科學家發(fā)現(xiàn)的具有超導特性的材料種類很多，但可以工業(yè)應用的屈指可數(shù)?！?nbsp;
據(jù)盛杰介紹，進入21世紀后發(fā)現(xiàn)的可工業(yè)應用的超導材料主要包括MgB2和鐵基超導這兩類。而最近幾年材料領域的重要發(fā)現(xiàn)主要集中于超高壓作用下的超導特性。如2015年，德國馬普所的Drozdov等人發(fā)現(xiàn)，在超高壓條件(155 GPa)下硫化氫(H2S)可以在零下70℃溫度下實現(xiàn)超導。
此外，今年3月美國羅切斯特大學的Ranga Dias團隊在頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)表論文，提出由氫、氮、镥三種元素組成超導體，在大約10kbar（也就是1GPa，約1萬個大氣壓）下可實現(xiàn)約294K（21℃）的室溫超導電性。但目前復現(xiàn)實驗均宣告失敗,科學界懷疑其造假，該研究成果尚處于爭議中。
“室溫超導如果真的實現(xiàn)，也就意味著后續(xù)的超導應用可以擺脫環(huán)境溫度和壓力的限制，可以作為現(xiàn)有電工材料的完美替代品更為方便的應用到工業(yè)場合中，所有與電相關的產(chǎn)業(yè)都將迎來巨大的變革。” 盛杰說。
如果室溫超導實現(xiàn)了，會給普通人的生活帶來哪些影響？
盛杰向記者介紹了幾個應用場景，仿佛是科幻片成為了現(xiàn)實。
在能源領域，如果室溫超導大規(guī)模生產(chǎn)應用，超導電纜可以替代常規(guī)電纜實現(xiàn)無損輸電，各種電氣設備都將突破現(xiàn)有的功率、效率設計瓶頸，而且都會變的更加緊湊和輕便；另外，一旦室溫超導促成了可控核聚變，能源問題就可能得到徹底解決。“人人擁有像鋼鐵俠、哆啦A夢一樣的聚變動力電池將不再是夢想?！?/p>
運用了超導技術(shù)的日本新型磁懸浮列車
在交通領域，陸地上超導磁懸浮列車將大行其道，配合真空管道技術(shù)，人們會不斷突破陸地交通的速度上限；隨著超導電機以及相關技術(shù)的突破，超導飛機也將成為現(xiàn)實，這可以顯著的減少碳排放；“太空列車”( Startram)計劃也可能得以實施，助力普通人實現(xiàn)太空旅游夢想。
在醫(yī)療領域，核磁共振儀器的價格會變得更加低廉，普及度更高，診斷能力、精度都會得到巨大的提升，幫助人們更早發(fā)現(xiàn)疾??；重離子醫(yī)療的價格也將變得普通人可以接受，整個世界的醫(yī)療水平將提到提升。
“可以想象的空間太大了，大家可以自由發(fā)揮，開開‘腦洞’。”
世界各國團隊進行復現(xiàn)實驗，制備過程“簡單粗暴”被調(diào)侃為“煉金術(shù)”
韓國團隊論文發(fā)表后，世界各國團隊開展復現(xiàn)實驗，現(xiàn)在的情況如何？
此次韓國團隊發(fā)布了完整的制備過程，和此前各類超導材料相比，顯得過于簡單和“粗糙”，被網(wǎng)友調(diào)侃為“煉金術(shù)”，但這也讓復現(xiàn)實驗更便于實施。
7月31日，北京航空航天大學的研究人員在arXiv上提交了相關論文，他們得到的樣品X射線衍射圖譜和韓國團隊一致，但他們的研究同時表明，在改性鉛磷灰石中存在室溫超導體的說法可能需要更仔細的再研究，特別是在電傳輸特性方面。
8月2日，華中科技大學團隊成員在B站發(fā)布視頻，宣布成功首次驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。視頻中，無論是磁鐵的N級還是S級，該材料都對此呈現(xiàn)出斥性。但團隊成員稱，由于材料太小，還沒進行電阻測量。截至目前，該視頻播放量已超過1000萬。
華中科技大學團隊成員在B站發(fā)布的視頻截圖
8月3日，東南大學團隊宣布測到LK-99樣品零電阻的實驗結(jié)果，但并非在室溫下，而是在110K（-163.15℃，-273.15℃=0K）時，且沒有抗磁性。是否有室溫超導，還有待進一步的探索和測量。
值得一提的是，針對LK-99上海大學團隊也進行了復現(xiàn)工作。
上海大學理學院物理系教授，上海市高溫超導重點實驗室主任蔡傳兵向東方網(wǎng)記者介紹了本次復現(xiàn)實驗。
蔡傳兵認為，這個材料是個新的體系，值得進行凝聚態(tài)物理方面的深入探討，但可能需要進行持續(xù)的深入研究才會有結(jié)果。
“目前初步合成制備出一些樣品，但沒有發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。樣品還很粗糙，純度也不夠，正在進行不同工藝條件的樣品制備，同時從不同溫度和磁場等進行特性表征。具體結(jié)果會通過學術(shù)論文進行公布，需要更多時間和可靠的實驗結(jié)果?！?/p>
截至目前，所有的公開復現(xiàn)實驗，制備的LK-99材料，有部分檢測到抗磁性，但沒有檢測到室溫常壓下電阻為0的現(xiàn)象。
據(jù)韓聯(lián)社報道，8月2日，韓國超導學會宣布成立“LK-99驗證委員會”，檢驗該成果的真實性。8月3日，委員會根據(jù)兩篇論文中提供的數(shù)據(jù)和已發(fā)布的視頻，宣布LK-99不能被稱為室溫超導體。
超導就在我們身邊，上海打造超導電纜示范工程
在超導領域，上海一直走在全國，乃至世界的前列。在本次爆火的新聞的背后，也許這些故事也許更應該“出圈”。
蔡傳兵任職的上海市高溫超導重點實驗室成立于2014年，研究方向包括基礎物理研究，非常規(guī)新型超導體，新奇的量子效應、超導體的電子結(jié)構(gòu)和磁熱相圖研究等。
“目前，我們在新型鎳基超導體、二維界面超導體和超導磁通動力學方面都有很好的研究成果，發(fā)表在國際頂級期刊上?！?nbsp;蔡傳兵向記者介紹，“此外，我們攻克了高溫超導帶材制備關鍵技術(shù)并在國內(nèi)率先進行了科技成果轉(zhuǎn)化。實驗室與上海電纜研究所和上海國際超導科技有限公司合作，為國家電網(wǎng)在徐匯區(qū)的1.2公里超導電纜工程提供了核心關鍵材料——高溫超導帶材?！?/p>
2021年12月22日，國家電網(wǎng)公司在上海興建的世界首條35千伏公里級超導電纜示范工程正式投運。該示范工程位于上海市中心，連接徐匯商業(yè)核心區(qū)兩座220千伏變電站，總長1.2公里，額定電流2200安培，電能輻射整個轄區(qū)內(nèi)的4.6萬戶用戶。
上海超導電纜示范工程
超導輸電，電能傳輸損耗趨近于零，從而實現(xiàn)低電壓等級的大容量輸電。不僅如此，一條超導電纜，相當于4到6條相同電壓等級傳統(tǒng)電纜的輸電容量，還能節(jié)省大量地下管廊空間。
蔡傳兵告訴記者，該項目中使用的第二代超導帶材，從設計到生產(chǎn)制造實現(xiàn)了國產(chǎn)化，擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。目前該項目已經(jīng)平穩(wěn)供電500多天，多項指標達到世界領先水平。
如何看待事件“出圈”引發(fā)全網(wǎng)關注
對于本次LK-99事件引發(fā)的巨大關注，盛杰表示：“還蠻出乎意料的?！?/p>
他認為，超導本身是一個小眾學科，有一定的認知壁壘，普通人面對紛雜的真假消息，往往難以判斷。一些“陰謀論”以及“反轉(zhuǎn)”的劇情確實能讓人體驗到“吃瓜”的快感，但是科學總要回歸理性，面對這些信息還是要保持客觀謹慎。
另一方面，令他感到欣慰的是，很多人表現(xiàn)出對顛覆性技術(shù)的興趣以及極高的敏感性?！白罱稍兾页瑢ьI域科普讀物的朋友有很多，這表明，隨著高等教育的普及，民眾的基礎認知水平已經(jīng)有很高水準了。”
此外，本次以華科和東南為代表的科研團隊通過新媒體的方式向大眾展示了科研過程，相關視頻在B站等平臺播放破千萬，引起廣泛關注的同時也讓大眾有了更多的參與和互動感。盛杰認為，這樣的方式對青少年科研啟蒙也是非常有益的。
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