室温超导：一个反复上演 “狼来了” 的研究领域

时间： 2023-08-04 02:10     浏览量：510

就算室温超导复现不成功，多些期待总是好的

文|贺乾明

编辑|程曼祺 龚方毅

一队韩国学者发布两篇论文，宣布物理学领域重大突破，世界震动之余又将信将疑。一些同行试图通过重复实验或计算验证可行性，也有一些学者提醒公众别激动得太早。如今复现实验有了新进展 —— 整体不乐观，不过出现了积极的证据 —— 学界还在疑惑，资本市场已被点燃。

这就是过去十多天围绕室温超导突破的所发生的一系列事。

“往小了说是诺奖的工作，往大了说这是改变人类发展进程的研究。” 东南大学物理学院教授孙悦告诉《晚点 LatePost》，他从事超导研究十多年，经历过四五次类似的室温超导突破 “乌龙事件”，这次依然迅速跟进复现，“室温超导的突破实在太重要了”。

这大概也解释了为什么鲜有科学研究会像室温超导这样，一次又一次有研究团队宣布取得重大突破，但很快又因为其他团队无法复现成果被抛在一旁。可是只要再有研究团队宣布新突破，仍会引发关注和跟进。

当韩国科学技术研究院在 7 月 22 日用相对完善的材料制作步骤、实验数据和部分磁悬浮视频，宣称能在特定的室温常压环境中让一种名为 LK-99 的材料实现超导时，人们的期待值再次被拉满。

那些投入资源试图复现研究的团队，主要期待能在 127°C 以下的室温常压中，检测出样品同时存在两种特性：

零电阻。就好比有一条河，水在河里流动会遇到石头、树枝等障碍物，就像电流在导线中流动会遇到电阻。河里的障碍会让水流速度变慢并产生涡流，同样，电阻也会让电流变慢并产生热量，这意味着电能会损耗。而超导体中电阻会消失。

完全抗磁性。普通的材料放进磁场中，磁力线通常会穿过它们。但超导体能完全把磁力线弹开。如果你在磁铁上放一个超导体，超导体会被推开并悬浮在空中。超导体隔绝磁场的时候，也让外部的磁场变得更强，几乎没有能量损耗。因此超导体通常被拿来做超级磁铁。

凭借超导体零点阻、抗磁性的特性，科学家们造出了核磁共振仪器，并有效推进了可控核聚变、量子计算机等前沿技术研究。现在想让这一切发挥作用得花费巨大成本创造极低温（-269 °C~-196°C）的环境。医院的核磁共振仪里灌着售价数十万的液氦，维持极低温，隔几个月还要定期补充；超导量子计算机仅降温设备就得花几百万甚至上千万元。 

如果室温超导能成真且大规模推广，就能使超导材料和应用不再昂贵，同时使一些现在的不可能成为可能。从建设更有效率的电网，到让更多病人用上便宜的核磁共振检查，让时速 600 公里甚至更快的磁悬浮列车可能会像高铁一样普及，可控核聚变、量子计算机的开发难度会随之下降。

样品没复现超导特性，计算模拟显示 “可行”

过去这一周，孙悦教授和他的团队成员只能在实验间隙短暂休息下。从看到韩国团队的论文开始，他们便行动起来，采购材料、按照韩国研究团队公布的实验细节复现研究，忙的时候一天要工作超过 20 个小时。

“论文中还是会有前后矛盾和模糊不清的地方，比如 ‘前驱物’ 烧结（一种材料加工方法），开始论文中称在空气中，但配图里展示的是真空；按照他们给出铜和磷元素配比，无法做出来前驱物。” 孙悦说。

他们凭借过往的研究经验，在模糊的地方做了不同尝试，两两组合了 3 对设置，包括不同烧结环境（真空或有空气）、两种不同材料配比和两种不同的烧结时间（10 小时或 20 小时），最终做出了 8 个样品，借助 “X 射线衍射” 分析后发现，“结构与韩国团队基本完全一致”。

遗憾的是，他们没能发现样品是超导体的迹象——几乎没有抗磁性，更不用说悬浮了。北京航空航天大学材料科学与工程学院、印度国家物理实验室等团队得出的结论与孙悦团队类似。

但有一些团队，比如华中科技大学材料学院的团队复现取得了一些进展。其团队成员 8 月 1 日在 B 站上发布的视频显示，当用一块磁铁从下方接近样品材料，它会 “立起来”，展现出了与 LK-99（掺杂铜的铅磷灰石） 类似的抗磁性特征。

但这种特征并不能确定它是不是超导材料。视频里也没有呈现电阻测试的结果。“只有一片几十微米大小的样品，测电阻会破坏样品，正在做新一批样品。” 华中科技大学的研究者说。

直接烧样品做复现之外，另有一些研究者用超级计算机模拟，看新材料为室温超导体的可能性。同样是在 8 月 1 日，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员西尼德·格里芬（Sinéad M。 Griffin）在 arXiv 上发布论文，声称用美国能源部的超算对 LK-99 材料模拟运算，认为它具备现实世界中室温超导材料具备的性质。

现在还没有团队真正复现出韩国团队宣称能实现室温超导的材料。科学家们的质疑声同样此起彼伏，认为韩国团队做出来的可能只是 “室温环境下具备微弱抗磁性的材料，并不是超导体”。

但这一次针对韩国团队研究的复现与此前几次室温超导研究相比，情况已经好了一点。这种微妙的变化也让资本市场兴奋起来，A 股市场多支超导概念股票连续两天涨停，美股美国超导一天涨了 60%。

韩国的研究者还在增加更多实验过程的信息，他们接受采访时提到实验过程中石英管破裂的情况。“高温氧气什么时候进入？会不会有催化作用？” 一位清华大学物理系教授认为这些因素可能会直接影响样品烧结的过程。

新的信息出现，新一轮的复现研究也在继续。针对石英管破裂的信息，孙悦还会继续调整试验过程，比如在烧结样品时的不同阶段加入氧气、空气，模拟破裂造成的影响。他也在考虑尝试不同的冷却方式，第一轮烧结 8 个样品时，他们选择让样品慢慢冷却，之后可能会尝试在高温时直接淬火，这可能也会影响样品的特性。

关于韩国这项室温超导研究还有一个变量来自研究团队本身。该研究的主要作者之一李硕裴（Sukbae Lee）接受韩联社采访时称，研究团队其实尚未准备好发表论文，是同事未经其他作者同意下擅自发布，团队目前正向 arXiv 要求下架论文。截至发稿，该论文尚未下架。

一个希望和失望反复上演的领域

1911 年，荷兰物理学家海克·卡默林·翁内斯（Heike Kamerlingh Onnes）借助 −269 °C 的液氦发现超导这个神奇现象后，研究者们就开始用极低温这个 “工具” 挨个实验元素周期表上的材料，发现只要温度够低，大多数元素都能超导，而且具备物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）等人在 1933 年发现的抗磁性特征。

但很快瓶颈就出现了，研究者们意识到，他们发现的材料实现超导的最高温度都在 -243°C 以下。就像现在许多研究者宣布找到了室温超导材料一样，当时有不同的研究团队宣布找到了临界温度更高的超导材料，但也难以被复现。

-243°C 成了当时科学家普遍认为的极限，它像一张玻璃穹顶笼罩着行业，使许多研究人员认为此路不通，甚至转行，超导研究一度陷入低谷。

直到 1986 年，人类发现超导现象 75 年后，IBM 的研究人员格奥尔格·贝德诺兹（Georg Bednorz）等人靠陶瓷材料打破了超导的温度限制，开启了 “高温超导” 研究时代。

所谓的高温超导其实也只是相对 “高温”，这些超导材料需要的最高温度仍在零下 -196 °C。但近 50 度的温度差带来了一大好处，超导材料的冷却工具变成了液氮，它比最初用作冷却超导材料的液氦便宜了超 90%。

这次突破的更大意义还在于，它打破了研究人员心中的自我设限，使更多人敢于追逐比高温超导更有野心的目标：“室温” 超导体。

室温又比 “高温” 的温度范围高了一大截，它指地球上的正常环境区间，行业通常默认是 27℃ 。最近这十多年，多个实验团队宣称实现了室温超导，甚至还有研究者和团队发现了两次：

2016 年，德国莱比锡大学的一个团队在《新物理学报》（New Journal of Physics）上发表论文，称在巴西的一个石墨矿里找到了室温超导体。

2018 年，印度科学理工学院的一个团队在 arXiv 上发布论文，宣称发现了室温超导材料，并公布了一些实验数据。

2020 年、2023 年，罗切斯特大学物理学教授兰加·迪亚斯（Ranga Dias）两次在《自然》（Nature）上发表论文，宣布找到了室温超导材料，但需要高压环境。

中国科学院物理研究所研究员罗会迁在《超导 “小时代”》一书总结了这些 “室温超导体” 研究的共性：“很难经得住推敲和考证，它们很难被重复实验来验证——有的根本没有公布成分结构或者制备方法，有的实验现象极有可能是假象，有的实验数据极有可能不可靠。”

最后的结果就是，这些所谓重大突破被抛在一旁。比如兰加·迪亚斯 2020 年发表在《自然》杂志上的论文因为同行质疑太多被迫撤回。

希望与期待还是更多一些

“为什么室温超导这么难？” 听到这个问题后，孙悦沉默了一下，说：“我也不知道。”

这可能就是室温超导体研究最难的地方，哪怕是资深的研究者都没有什么好的研究思路，因为人类迄今还没有完全理解超导体的原理。

与量子物理研究相比，超导体研究过程中，理论研究时常落后材料的发现。翁内斯发现超导现象后数十年，研究者们都很难理解这些元素为什么在极低温状态下没有电阻。

爱因斯坦、海森堡、波尔、泡利等量子物理领域的顶级物理学家都尝试过提出解释超导现象的理论，最后均无功而返。直到 1957 年，物理学家约翰·巴丁（John Bardeen）、莱昂·库珀（Leon Cooper）等人提出的 BCS 超导理论才对超导有了微观层面上的解释力，并得到同行认可。而随着高温超导体发现，这个理论局限性也展现出来。

“某种程度上说，它们甚至超出了物理学家目前的认知和掌控能力。” 罗会迁在书中写道：“一万个理论物理学家，就有一万套高温超导理论，哪怕数据其实只有一份。”

这意味着，高温超导尤其是室温超导研究是一个充满偶然发现的过程。现在几类重要的超导材料，如铜基超导和铁基超导，都是由非超导研究者在其他研究中无心发现。许多人调侃寻找室温超导体就像 “炼丹” 一样，并非没有道理。

不过在寻找材料的过程中，研究者们也会借助一些辅助工具，就像超导现象刚发现时的 “极低温”，在研究高温、室温超导体时，研究者们也找到了新 “工具”——压力。

“不超导的材料，压一压，也许就超导了。已经超导的材料，压一压，也许临界温度提高了。对于高温超导体，再压一压，也许温度上限就突破纪录了。” 罗会迁在书中总结。

到目前为止，借助压力这个工具做出来室温超导材料的只有兰加·迪亚斯的团队，但没有同行能够复现他们的研究。

充满困难但可能会改变世界，室温超导体也成了科幻作品的素材。电影《阿凡达》的设定中，潘多拉之所以能够吸引地球人类的注意力，关键原因是那里有大量室温超导材料。

在地球上，研究者能否发现室温超导体，会怎样发现它，现在仍然是未知的。可以确定的是，人们时刻对它保持期待，并有研究者前赴后继、想尽办法去找到它。

在这个过程中，就像这些年屡次掀起的复现热潮那样，每一次新的可能性出现时，即使是持怀疑态度的谨慎研究者，也不会愿意缺席。

毕竟，没有太多理论能帮研究者找到它的另一面，也意味着没有理论确定找不到它。

室温超导也是一个足够重要，值得为之付出巨大尝试努力的方向。它会是一把打开一连串宝箱的钥匙。

对能大规模应用的超导材料长达百年的追逐，反应着人类特性中光亮的一面：即使希望与失望反复发生，希望和期待还是更多一些。

责任编辑：刘德宾