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中國科學(xué)院牟剛：室溫常壓超導(dǎo)仍處于概念階段
獨(dú)家丨中國科學(xué)院牟剛：LK-99未得到充分證明 室溫常壓超導(dǎo)仍處于概念階段
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者王雪、實(shí)習(xí)生薛镕江 武漢報道
(資料圖片)
若室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)，超長距離輸電將高效無損耗、電子設(shè)備不再需要制冷系統(tǒng)來降低工作溫度、核磁共振成像將會成本更低、高能物理實(shí)驗(yàn)以及人工可控核聚變研究等諸多前沿科學(xué)領(lǐng)域再向前一大步......能源、交通、醫(yī)療、計算機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展軌跡將被徹底改寫。
因此，任何一項(xiàng)事關(guān)室溫超導(dǎo)的研究都能引起廣泛關(guān)注。今年3月，美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家蘭加·迪亞斯及其團(tuán)隊(duì)宣布，他們已經(jīng)創(chuàng)造出可以在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的全新材料，但在不久后被證偽。7月，韓國研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)文稱合成了全球首個室溫常壓超導(dǎo)體LK-99(一種摻雜銅的鉛磷灰石)，臨界溫度為127℃。緊接著，網(wǎng)上開始大規(guī)模傳播LK-99復(fù)現(xiàn)視頻，并稱已驗(yàn)證邁斯納效應(yīng)。
市場高度關(guān)注之下，LK-99究竟是不是室溫超導(dǎo)材料？室溫超導(dǎo)真的走進(jìn)現(xiàn)實(shí)了嗎？人們要如何理性看學(xué)界給出的研究成果？中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員牟剛在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報道記者專訪時指出，當(dāng)前室溫常壓超導(dǎo)仍處于概念階段，目前已公開的數(shù)據(jù)無法百分之百確定LK-99是室溫超導(dǎo)體，仍需專業(yè)人士進(jìn)行科學(xué)審慎的驗(yàn)證。
室溫常壓超導(dǎo)仍處于概念階段
21世紀(jì)：近段時間學(xué)界涌現(xiàn)大量室溫超導(dǎo)研究，室溫超導(dǎo)究竟意味著什么？
牟剛：超導(dǎo)通常指代某種表現(xiàn)出非常優(yōu)越的導(dǎo)電性能的材料，其電阻為零、并且具有完全抗磁性。
目前所發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料，都必須在低溫下才能顯現(xiàn)零電阻特性。1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯在用液氦冷卻水銀時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到4.2K(約為零下269攝氏度)時，水銀的電阻完全消失。這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，達(dá)到超導(dǎo)時的溫度稱為臨界溫度。
提高超導(dǎo)材料的臨界溫度，一直是超導(dǎo)領(lǐng)域研究人員的一個努力方向。1986年，業(yè)界首次發(fā)現(xiàn)了銅氧化物超導(dǎo)材料，隨后其超導(dǎo)溫度被迅速提升到液氮溫區(qū)，即零下196攝氏度。液氮的廉價和易得，大大推動了銅氧化物超導(dǎo)材料在信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)儀器、電力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。但經(jīng)過近40年的研究，銅氧化物仍然是在常壓下唯一進(jìn)入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導(dǎo)體。
在提升超導(dǎo)臨界溫度方面目前取得較大進(jìn)展的是高壓下的富氫化合物。在很久以前就有理論學(xué)家預(yù)言，固態(tài)氫很可能是一種超導(dǎo)體，并且具有很高的臨界溫度。
只是，要把氫氣壓成類似金屬的固體，需要超高的壓力，所以科學(xué)家們轉(zhuǎn)而在含有氫元素的富氫化合物中尋找高溫超導(dǎo)體。幾年前，科學(xué)家們在H3S(單質(zhì)硫和氫氣在低溫高壓下可形成一種新型超導(dǎo)材料)中發(fā)現(xiàn)了高達(dá)203 K的超導(dǎo)行為，打破了有銅氧化物保持的記錄。目前學(xué)術(shù)界比較公認(rèn)的具有最高臨界溫度的超導(dǎo)材料是LaH10(由氫原子和鑭系金屬組成)，其臨界溫度在250-260 K，相當(dāng)于零下十幾度，可以說距離室溫超導(dǎo)已經(jīng)只有一步之遙了。
值得注意的是，這些富氫化合物的高溫超導(dǎo)，均需要高達(dá)200萬大氣壓的極高壓強(qiáng)，因此仍舊不能夠走向?qū)嶋H應(yīng)用。
室溫常壓超導(dǎo)指的是材料在室溫常壓條件下便能實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)功能，但目前仍是一個沒有實(shí)現(xiàn)的概念，也是超導(dǎo)材料學(xué)家們努力的一個方向。
21世紀(jì)：實(shí)現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)的難點(diǎn)在哪里？
牟剛：最難的地方在于沒有理論支撐何種材料能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。如果有令人信服的理論能夠預(yù)言何種材料能夠在室溫實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，那么研究材料學(xué)家一定會想盡一切辦法研究出相適用的材料。
21世紀(jì)：影響超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用的最大制約是什么？
牟剛：現(xiàn)在的最大問題是超導(dǎo)臨界溫度不夠高。當(dāng)然，若滿足了這一條件，在室溫超導(dǎo)體投入使用的過程中還會面臨其他的許多問題。
例如，室溫超導(dǎo)體用來輸電，就要考慮它對電流的承載能力是不是達(dá)到要求，也就是說臨界電流也是超導(dǎo)材料的重要指標(biāo)。雖然室溫超導(dǎo)電阻為零，但超過了一定的電流后，超導(dǎo)狀態(tài)便不能維持，自然就不能沒有損耗地輸電。
所以下一步還要考慮提高室溫超導(dǎo)的臨界電流。另外在室溫超導(dǎo)的加工上，還要考慮穩(wěn)定性等其他問題。當(dāng)然現(xiàn)在首先要突破的是超導(dǎo)臨界溫度。
無法確認(rèn)LK-99是室溫超導(dǎo)體
21世紀(jì)：韓國一研究團(tuán)隊(duì)聲稱發(fā)現(xiàn)了首個室溫常壓超導(dǎo)體LK-99，事實(shí)情況如何？
牟剛：首先，該韓國研究團(tuán)隊(duì)在arXiv網(wǎng)站提交的文章是預(yù)印本，尚未經(jīng)過同行評議，沒有在正規(guī)期刊上發(fā)表的論文初稿，其權(quán)威性、準(zhǔn)確性值得商榷。
其次，要判斷一個材料是不是超導(dǎo)體，必須滿足兩個條件，一是必須為零電阻，二是要具有邁斯納效應(yīng)，即完全抗磁性。以上兩種特性必須通過專業(yè)的儀器設(shè)備進(jìn)行測試。
目前韓國團(tuán)隊(duì)給出的其中一個較淺顯易懂的證據(jù)，是材料呈現(xiàn)懸浮的狀態(tài)的視頻，但這只是必要非充分的條件，因?yàn)槌瑢?dǎo)磁懸浮只是懸浮現(xiàn)象的一種，并不能說明視頻中的懸浮現(xiàn)象一定是超導(dǎo)材料引起的。
另外，根據(jù)我看到的數(shù)據(jù)，韓國團(tuán)隊(duì)的報道中LK-99沒有達(dá)到零電阻，電阻只是出現(xiàn)了下降，這也是判斷超導(dǎo)行為的一個必要不充分條件。因?yàn)檫€有其他原因也可能導(dǎo)致電阻的下降，例如絕緣體到金屬的相變，通俗來講就是當(dāng)絕緣體由于某種原因突然變成了金屬，電阻也有可能下降幾百甚至幾萬倍。
所以從上述兩方面總結(jié)，韓國研究團(tuán)隊(duì)提供的證據(jù)不嚴(yán)謹(jǐn)、不充分，不能百分之百確定LK-99是室溫超導(dǎo)體。
21世紀(jì)：但美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室學(xué)者在arXiv發(fā)文表示已經(jīng)從理論上支持LK-99具有室溫超導(dǎo)能力，對此你如何評價？
牟剛：我的理解是，實(shí)驗(yàn)還沒有完全確定的情況下，這個理論可能要打問號，因?yàn)槲恼率腔贚K-99這個材料在做解釋性工作。一般而言，某個室溫超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn)，通過理論計算的方式，或許可以解釋該超導(dǎo)材料為何能在室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，但目前從理論上還做不到對室溫超導(dǎo)材料的預(yù)測，當(dāng)然就更談不上證實(shí)了。所以我認(rèn)為LK-99的室溫超導(dǎo)能力沒有得到實(shí)驗(yàn)確證的基礎(chǔ)上，美國團(tuán)隊(duì)給出僅僅是一個可能的解釋，我們應(yīng)該對該解釋持觀望狀態(tài)。另外，LK-99到底能不能在室溫常壓條件下真正進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，還需要進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
21世紀(jì)：有中國研究團(tuán)隊(duì)在網(wǎng)上發(fā)布視頻稱驗(yàn)證了LK-99的邁斯納效應(yīng)，在您看來這種驗(yàn)證符合科學(xué)的邏輯嗎？
牟剛：一般來講，要驗(yàn)證某個材料的邁斯納效應(yīng)(完全抗磁性)，需要測試材料在磁場下的反應(yīng)，即磁化率。當(dāng)磁化率達(dá)到-1時，就是完全抗磁性。但當(dāng)前復(fù)現(xiàn)視頻呈現(xiàn)的多數(shù)情況是把材料放在磁鐵上，然后它有懸浮的狀態(tài)。
首先從邏輯上，磁懸浮不一定是超導(dǎo)帶來的。其次，僅看到懸浮的現(xiàn)象，無法判斷材料是不是完全抗磁性，需要精確地測試它的磁化率隨溫度和磁場的變化行為。
而精準(zhǔn)地測定磁化率，需要專門的實(shí)驗(yàn)儀器，絕不能僅停留在肉眼可見的現(xiàn)象。另外電阻測試與常規(guī)測試也不一樣，需要使用四探針的方式，來排除引線自身電阻和接觸電阻的影響，這樣才能準(zhǔn)確探測到材料的真實(shí)狀態(tài)。
中國超導(dǎo)研究處于領(lǐng)先地位
21世紀(jì)：當(dāng)前我國在超導(dǎo)領(lǐng)域研究進(jìn)展如何？
牟剛：國內(nèi)的超導(dǎo)研究可以分為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。在我看來，基礎(chǔ)研究主要包括兩個方面，一是研究超導(dǎo)材料的物理原理，二是探索發(fā)現(xiàn)更適合應(yīng)用的新超導(dǎo)材料。基礎(chǔ)研究的成果可能不會馬上帶來實(shí)際的應(yīng)用，但是對長遠(yuǎn)的發(fā)展會有很大的推動作用。應(yīng)用研究方面，主要是研究如何將目前已有的超導(dǎo)材料如何更好地實(shí)際利用的問題。
在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩個方面，國內(nèi)都有很大的進(jìn)展，在國際上也處于較為領(lǐng)先的地位。例如，在超導(dǎo)新材料探索領(lǐng)域，1987年，中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了臨界溫度93 K(零下184攝氏度)的釔鋇銅氧超導(dǎo)體，突破了77K的液氮溫區(qū)，這意味著人類可以利用成本較低的液氮來制造超導(dǎo)體，銅基超導(dǎo)材料自此成為了超導(dǎo)研究的一個重要領(lǐng)域。
2008年，中國科學(xué)家合成了一系列的鐵基超導(dǎo)體，最高臨界溫度達(dá)到了55 K(零下218.15攝氏度)，至今仍保持著鐵基超導(dǎo)塊體材料臨界溫度的記錄。就在最近，中山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了具有較高臨界溫度的新型鎳氧化物超導(dǎo)材料。
在應(yīng)用研究領(lǐng)域，國內(nèi)也有一些很好的進(jìn)展。例如用超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)輸電。2021年年末，上海國際超導(dǎo)科技有限公司牽頭自主研發(fā)制造的世界首條35千伏公里級超導(dǎo)電纜輸電工程在上海正式投運(yùn)，這開創(chuàng)了公里級超導(dǎo)電纜在全球城市核心區(qū)域的應(yīng)用先例，目前已經(jīng)在穩(wěn)定運(yùn)行，后續(xù)可能會有更大規(guī)模的應(yīng)用。另外，超導(dǎo)材料還在濾波器、微弱磁信號和光信號探測、射頻諧振腔、量子計算等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間和前景。
21世紀(jì)：如何使超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用在日常生活中？
牟剛：目前，由于需要制冷，超導(dǎo)材料主要應(yīng)用在相比傳統(tǒng)材料顯示出明顯優(yōu)勢的場景。當(dāng)然，超導(dǎo)材料在日常生活中也有應(yīng)用，例如醫(yī)院里的核磁共振儀，其中的磁體就是使用的超導(dǎo)材料。
真正走進(jìn)日常生活有兩種可能，一種是發(fā)現(xiàn)室溫下的超導(dǎo)材料，且具備大規(guī)模應(yīng)用的潛力。那時特高壓輸電線都可以換上超導(dǎo)材料。
另外，制冷技術(shù)的進(jìn)步也將推動超導(dǎo)材料的應(yīng)用。但從日常生活角度考量，超導(dǎo)體的制冷成本依然很高，并且制冷設(shè)備的體積也比較大，無法靈活使用。
因此，超導(dǎo)技術(shù)要真正應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ钪羞€需要攻克多環(huán)節(jié)難題，提高超導(dǎo)體的臨界溫度是重中之重。
