最近幾天，超導(dǎo)材料界出現(xiàn)了一項(xiàng)關(guān)于室溫超導(dǎo)性的研究。這項(xiàng)研究來(lái)自韓國(guó)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們?cè)?/span>arXiv上上傳了兩篇論文，聲稱他們?cè)诖髿鈮合潞铣闪艘环N室溫超導(dǎo)材料LK-99，其超導(dǎo)臨界溫度超過(guò)了水的沸點(diǎn)，最高達(dá)到127攝氏度，該項(xiàng)超導(dǎo)材料論文引發(fā)了大量科技討論，小編根據(jù)現(xiàn)有資料做了匯總和分析，如下所示。
超導(dǎo)體是一種具有超導(dǎo)特性的特殊材料。超導(dǎo)性意味著在低溫條件下，超導(dǎo)體可以以零電阻傳導(dǎo)電流，并表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，即在超導(dǎo)體內(nèi)部形成排斥磁場(chǎng)，以響應(yīng)外部磁場(chǎng)。
普通金屬阻擋電流或?qū)κ┘拥拇艌?chǎng)產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致熱量損失。然而，超導(dǎo)體可以在低溫下完全消除電阻，通常接近絕對(duì)零度，使電流在沒(méi)有任何損失的情況下流動(dòng)。這種超導(dǎo)現(xiàn)象是由于超導(dǎo)體中的電子配對(duì)，即庫(kù)珀對(duì)，它們一起移動(dòng)，而不是作為單個(gè)電子。
超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)和研究是一項(xiàng)重大的科學(xué)突破，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：
1、能量傳輸：超導(dǎo)電纜可以顯著降低電力傳輸過(guò)程中的能量損失，提高能量傳輸效率。
2、磁共振成像（MRI）：超導(dǎo)磁體用于MRI設(shè)備，以產(chǎn)生高分辨率的醫(yī)學(xué)圖像。
3、磁懸浮列車：超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)使列車在懸浮軌道上無(wú)接觸地高速運(yùn)行，減少摩擦和能量損失。
4、量子計(jì)算：超導(dǎo)量子位可以用來(lái)開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)。
5、醫(yī)學(xué)成像：利用常溫常壓超導(dǎo)體的強(qiáng)磁場(chǎng)特性，可以制作更精確、更高效的醫(yī)學(xué)設(shè)備，如磁共振成像儀等，提高診斷的準(zhǔn)確性和治療的效果。
然而，目前大多數(shù)超導(dǎo)體需要極低的溫度才能表現(xiàn)出超導(dǎo)性，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，研究人員一直在尋找能夠在更高溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)性的材料，從而產(chǎn)生了“室溫超導(dǎo)體”的概念
室溫超導(dǎo)體，也稱為環(huán)境壓力超導(dǎo)體（常溫常壓超導(dǎo)體），是指在更傳統(tǒng)的溫度和壓力條件下，通常在室溫或低于室溫時(shí)，能夠表現(xiàn)出超導(dǎo)性的材料。這是一個(gè)重大突破，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的超導(dǎo)體需要接近絕對(duì)零度的極低溫度才能表現(xiàn)出來(lái)超導(dǎo)性。如果韓國(guó)的測(cè)試結(jié)果是準(zhǔn)確的，室溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)將是超導(dǎo)領(lǐng)域的重大突破。
與其他超導(dǎo)體相比，室溫超導(dǎo)體可以在日常生活中更容易實(shí)現(xiàn)的條件下運(yùn)行。截至2020年，在超高壓含碳硫化氫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了最高溫度的超導(dǎo)體，壓力為267 GPa，臨界溫度為+15°C。
對(duì)于韓國(guó)團(tuán)隊(duì)的研究，許多人感到難以置信。在結(jié)果重現(xiàn)之前，大部分到現(xiàn)在都還是保持懷疑。室溫超導(dǎo)的歷程是漫長(zhǎng)的，早在20世紀(jì)初就開(kāi)始了。
1911年，荷蘭物理學(xué)家HeikeKamerlingh-Onnes首次在冷卻至4.2K（-269°C）的汞絲中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性。
1957年，物理學(xué)家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer用他們的“BCS理論”從理論上解釋了這一現(xiàn)象，該理論表明，通過(guò)超導(dǎo)體壓縮的電子會(huì)暫時(shí)使材料的結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致電子交換。
1986年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化銅陶瓷在Tc=30K（約-243°C）的更高臨界溫度下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。
1994年，研究人員在壓力下將汞基氧化銅的臨界溫度（Tc）提高到164K（約-109°C）。然而，在銅酸鹽超導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的機(jī)制仍然未知。
在21世紀(jì)，許多研究人員在這一領(lǐng)域做出了努力，聲稱取得了非凡的成果。羅徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家蘭加·迪亞斯就是這樣一個(gè)人物。
2020年，迪亞斯團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一篇封面文章，聲稱在267GPa和287K（約15度）的碳硫氫（CSH）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)性，這標(biāo)志著人類首次實(shí)現(xiàn)了高壓室溫超導(dǎo)性。
不幸的是，2022年9月，《自然》雜志宣布撤回該論文。然而，這并沒(méi)有阻止迪亞斯，次年3月，物理學(xué)界出現(xiàn)了另一個(gè)重大進(jìn)展。
在3月份于拉斯維加斯舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，蘭加·迪亞斯宣布發(fā)明了一種在室溫和接近大氣壓下工作的超導(dǎo)體。該超導(dǎo)體由氫、氮和稀土金屬镥組成，在21°C（294K）和約1GPa的壓力下成功地傳導(dǎo)無(wú)電阻電流。這項(xiàng)研究也發(fā)表在《自然》雜志上。
韓國(guó)研究小組合成室溫超導(dǎo)材料LK-99的方法由一位著名的科普專家進(jìn)行了分析。該材料是銅摻雜的鉛磷灰石，其化學(xué)式和銅摻雜參數(shù)x約為0.9-1.1。
1、黃銅礦合成：將氧化鉛和硫酸鉛粉末混合，并在725°C下在空氣中加熱24小時(shí)，從而生產(chǎn)黃銅礦。
2、亞磷酸亞銅晶體合成：將銅粉和磷粉混合并密封在真空管中，然后在550°C下加熱48小時(shí)，形成亞磷酸亞銅晶體。
3、最終材料合成：將黃銅礦和磷化亞銅晶體研磨成粉末，混合，并密封在真空管中。然后將密封管在925°C下加熱5-20小時(shí)，從而轉(zhuǎn)化為最終的超導(dǎo)材料。在這個(gè)過(guò)程中，硫酸鉛中的硫元素蒸發(fā)了。
文章給出了第三步的照片：e是反應(yīng)前的混合粉末，f是反應(yīng)后的密封樣品，g是樣品取出時(shí)的外觀，h和i是所得樣品的照片。
合成的材料具有六方晶體結(jié)構(gòu)，屬于六方晶體系統(tǒng)。在超導(dǎo)狀態(tài)下，樣品沿c軸方向形成一維超導(dǎo)鏈。
作者使用四探針?lè)y(cè)量了樣品的電阻，并在105攝氏度左右觀察到電阻的顯著跳躍，表明發(fā)生了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。然而，電阻并沒(méi)有立即降至零，這是意料之中的，因?yàn)椴⒎撬须娮佣荚谟邢薜臏囟认聟⑴c庫(kù)珀配對(duì)。
樣品中還觀察到了抗磁性，特別是邁斯納效應(yīng)，為超導(dǎo)性提供了進(jìn)一步的證據(jù)。測(cè)量了樣品的臨界電流、臨界磁場(chǎng)和臨界溫度，發(fā)現(xiàn)臨界溫度高達(dá)400開(kāi)爾文或127攝氏度。
對(duì)高臨界溫度的理論解釋涉及由于銅摻雜和電子之間的強(qiáng)相關(guān)性而形成一維或準(zhǔn)一維金屬。
他們使用四探針?lè)y(cè)量了樣品2在30mA電流下的電阻，發(fā)現(xiàn)在105攝氏度左右電阻有明顯的跳躍，他們認(rèn)為此時(shí)發(fā)生了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。
但是，阻力不會(huì)直接跳到0，而是先跳到一個(gè)相對(duì)較小的值。進(jìn)入較低溫度后，低于約60攝氏度，電阻幾乎為零?！皝?lái)自星星的何教授”解釋說(shuō)，事實(shí)上，超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)后，電阻不一定嚴(yán)格為零。這是因?yàn)樵谟邢薜臏囟认?，并不是所有的電子都參與了庫(kù)珀配對(duì)，未配對(duì)的電子仍然會(huì)對(duì)電阻產(chǎn)生影響，尤其是在接近臨界溫度的區(qū)域。論文作者從電阻測(cè)量結(jié)果得出結(jié)論，該超導(dǎo)體是一種s波超導(dǎo)體。
對(duì)論文工作的分析得出結(jié)論，合成方法和實(shí)驗(yàn)證據(jù)是全面的，其他研究小組有望很快跟進(jìn)并驗(yàn)證這些結(jié)果，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)不需要高壓環(huán)境，比以前的實(shí)驗(yàn)難度更小。
截至2020年，實(shí)現(xiàn)的最高溫度超導(dǎo)體是在超高壓含碳硫化氫系統(tǒng)中，壓力為267 GPa，臨界溫度為+15°C。在正常大氣壓下溫度最高的超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體銅酸鹽，它在138K（?135°C）的溫度下超導(dǎo)體。
實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)所需的條件極其苛刻，目前的條件只能支持在極高的壓力或極低的溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，更不用說(shuō)其高昂的成本和有限的應(yīng)用場(chǎng)景了。
如果有一種材料能夠在正常溫度和壓力下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性，并且相對(duì)容易獲得，那么室溫超導(dǎo)體lk-99材料的出現(xiàn)可能標(biāo)志著一場(chǎng)新的工業(yè)革命的開(kāi)始。室溫超導(dǎo)體lk-99材料的應(yīng)用包括但不限于：磁場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用、非接觸材料操縱（如核聚變控制）、無(wú)能量電流傳輸、超長(zhǎng)距離通信、新能源形式等，基本上徹底改變了一切依靠電力運(yùn)行的事物。這可能是以前只有在科幻小說(shuō)中才能看到的東西。
以最常見(jiàn)的電力相關(guān)產(chǎn)品為例，一種沒(méi)有電阻的超導(dǎo)體將完全解決電阻導(dǎo)致的能量損失問(wèn)題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)將不再需要考慮散熱問(wèn)題，使其更薄，并顯著提高運(yùn)行速度。家庭電力消耗將大大減少，電動(dòng)汽車將完全取代燃油汽車。
在能源發(fā)電和輸電行業(yè)，許多燃油設(shè)備，如柴油機(jī)和汽油機(jī)，將被超導(dǎo)電機(jī)取代，徹底改變石油、化工、航空航天和冶金等行業(yè)。同時(shí)，由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)電線和變壓器將能夠在幾乎沒(méi)有損耗的情況下傳輸電力，使電力短缺問(wèn)題成為過(guò)去。
此外，超導(dǎo)材料的出現(xiàn)可能導(dǎo)致高速超導(dǎo)磁懸浮列車的發(fā)展，磁懸浮軌道交通可以大規(guī)模實(shí)施。
在一個(gè)更像科幻小說(shuō)的場(chǎng)景中，可控核聚變技術(shù)可能成為現(xiàn)實(shí)?！度w》中描繪的場(chǎng)景可能會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，引導(dǎo)人類冒險(xiǎn)進(jìn)入宇宙，改寫人類歷史。
目前，室溫和大氣壓超導(dǎo)材料問(wèn)題已位居熱榜首位。由于復(fù)制結(jié)果相對(duì)簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外的許多團(tuán)隊(duì)可能都在不懈地努力復(fù)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
總之，簡(jiǎn)單地證明室溫超導(dǎo)性是可以實(shí)現(xiàn)的已經(jīng)是向前邁出的重要一步。我們熱切期待著一個(gè)可能改變世界的新的歷史進(jìn)程和發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)。
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