7月底，韓國(guó)一家初創(chuàng)公司在其未經(jīng)同行評(píng)審的預(yù)印本論文中稱，一種名為“LK-99”的銅、鉛、磷和氧的化合物可以實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。這一消息迅速引發(fā)物理學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，多國(guó)科學(xué)家紛紛嘗試復(fù)制LK-99。日前，《自然》（《Nature》）雜志的一篇報(bào)道總結(jié)了國(guó)際上不同實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出LK-99不是室溫超導(dǎo)體，并解釋了這種材料出現(xiàn)類似超導(dǎo)行為的原因。名噪一時(shí)的LK-99終于塵埃落定，被認(rèn)定為烏龍事件。
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室溫超導(dǎo)一直是物理學(xué)家們期待抵達(dá)的高峰。在探索室溫超導(dǎo)的百余年中，LK-99不是第一種被宣稱實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，也不是第一種在后續(xù)驗(yàn)證中陷入爭(zhēng)議的材料。事實(shí)上，很多所謂的“室溫超導(dǎo)體”最后都無(wú)法定論，物理學(xué)家們將其類比為不明飛行物UFO，稱其為“不明超導(dǎo)體” USO（Unidentified Superconducting Object）。今天我們就來(lái)了解一下什么是室溫超導(dǎo)，為何它總是命運(yùn)多舛？曾經(jīng)的疑似室溫超導(dǎo)體后來(lái)又如何了呢？
備受矚目的“超導(dǎo)”究竟是什么
韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)打造的LK-99材料，讓室溫超導(dǎo)的概念又一次被推上風(fēng)口浪尖。然而，在后續(xù)其他科學(xué)家的復(fù)現(xiàn)工作中，不管是實(shí)驗(yàn)還是理論計(jì)算，論文結(jié)果都大相徑庭，有的論文給出了支持超導(dǎo)的幾項(xiàng)證據(jù)，有的認(rèn)為只是普通磁性材料，甚至是雜質(zhì)的假信號(hào)。最終，經(jīng)過(guò)數(shù)十次的重復(fù)，許多專家確信LK-99并不是室溫超導(dǎo)體。
室溫超導(dǎo)究竟是什么？為何能讓科學(xué)界如此重視？這還得從超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)說(shuō)起。
1911年4月8日，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，即導(dǎo)體在特定條件下（如溫度、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等）電阻為0的現(xiàn)象。昂內(nèi)斯將汞放到液氦中冷卻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被冷卻到4.2K（-269℃）的汞突然沒(méi)有了電阻。
在昂內(nèi)斯觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象之前，物理學(xué)家們對(duì)于導(dǎo)體在接近絕對(duì)零度時(shí)的導(dǎo)電性質(zhì)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的意見(jiàn)，有的物理學(xué)家甚至猜測(cè)電流在接近絕對(duì)零度的導(dǎo)體中會(huì)幾乎完全停滯，也就是說(shuō)導(dǎo)體的電阻會(huì)趨于無(wú)窮大，就連19世紀(jì)著名的物理學(xué)家、冠名絕對(duì)溫標(biāo)單位的開(kāi)爾文勛爵也是這么認(rèn)為的。顯而易見(jiàn)，昂內(nèi)斯的發(fā)現(xiàn)平息了關(guān)于導(dǎo)體在低溫下會(huì)有什么性質(zhì)的爭(zhēng)論。后來(lái)，昂內(nèi)斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象正是其獲獎(jiǎng)的重要貢獻(xiàn)之一。
超導(dǎo)其實(shí)是物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)，它有兩個(gè)最主要的衡量指標(biāo)：臨界溫度和臨界磁場(chǎng)，而它的特性是零電阻性和完全抗磁性，這樣的特性讓超導(dǎo)的應(yīng)用前景十分廣闊。例如，超導(dǎo)體電阻為零，可以無(wú)損耗地運(yùn)輸電力；它有完全的抗磁性，液氮超導(dǎo)磁懸浮就是很直觀的表現(xiàn)；它可以很方便地按照電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，用于醫(yī)院里的核磁共振……但昂 內(nèi)斯觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象，需要的溫度是-269℃，如此低的溫度意味著超導(dǎo)體基本沒(méi)有任何日常實(shí)用的可能性。
如果想將超導(dǎo)體應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中，那么必須有接近日常生活的工作溫度和壓強(qiáng)環(huán)境。因此，在確認(rèn)超導(dǎo)現(xiàn)象存在以后，如何將產(chǎn)生超導(dǎo)的溫度和壓強(qiáng)推進(jìn)到接近日常狀態(tài)，即研究室溫超導(dǎo)便成了物理學(xué)家們的夙愿。
無(wú)論如何，關(guān)于室溫超導(dǎo)的一言一行如此受到廣泛關(guān)注，與人們愈發(fā)意識(shí)到超導(dǎo)體的重要性及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)。
真正的室溫超導(dǎo)材料尚未問(wèn)世
盡管超導(dǎo)已經(jīng)是物理學(xué)一個(gè)很細(xì)的分支了，但它還能分成更細(xì)的研究方向，如超導(dǎo)材料與物理性質(zhì)、超導(dǎo)機(jī)理、超導(dǎo)應(yīng)用等。其中大家最為熟悉的研究方向應(yīng)該就是發(fā)現(xiàn)了新的超導(dǎo)材料并測(cè)定其簡(jiǎn)單物理性質(zhì)，核心可以理解為“我合成了一個(gè)新的材料，它超導(dǎo)，測(cè)到的臨界溫度和臨界磁場(chǎng)分別是X和Y”。
一般來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)材料的論文會(huì)介紹合成出來(lái)的材料結(jié)構(gòu)及確定結(jié)構(gòu)的依據(jù)，如電鏡、能譜和X射線衍射，以及磁性（即磁化率隨溫度的變化，由此可知超導(dǎo)的臨界溫度）、電阻、比熱等。當(dāng)其他研究人員看到結(jié)構(gòu)和磁化率、電阻和比熱的研究數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)初步認(rèn)可這是一種新的超導(dǎo)材料，并開(kāi)展后續(xù)的驗(yàn)證。這就是近期許多科學(xué)家對(duì)于韓國(guó)LK-99研究結(jié)果進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證的原因。
實(shí)際上，人類對(duì)室溫超導(dǎo)的探索從未停止，在過(guò)去十幾年里，不斷有研究團(tuán)隊(duì)聲稱找到了室溫或接近室溫的超導(dǎo)體。
2020年10月，美國(guó)迪亞斯團(tuán)隊(duì)有一項(xiàng)“室溫超導(dǎo)”成果發(fā)表在《自然》雜志上，聲稱綠色激光誘導(dǎo)合成的碳硫氫（C-S-H）化合物在267GPa壓強(qiáng)（高壓）下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)288K（14.85℃）。從此科學(xué)家討論問(wèn)題涉及超導(dǎo)時(shí)，都難免感嘆一句：雖然壓強(qiáng)高得離譜，但是室溫超導(dǎo)終于要來(lái)了。
但遺憾的是，未等該實(shí)驗(yàn)被重復(fù)出來(lái)，迪亞斯團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便被同行懷疑受到了更改和操控。作為同行之一的加州大學(xué)理論物理學(xué)家赫希經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，先后發(fā)表兩篇論文質(zhì)疑批評(píng)該結(jié)果。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的拉鋸，迪亞斯團(tuán)隊(duì)的論文最終在2022年9月被撤回。
在今年3月初的美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，迪亞斯宣布又發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體——高溫高壓條件下合成的镥氮?dú)洌↙u-N-H）化合物在1GPa壓強(qiáng)下即可實(shí)現(xiàn)294K（20.85℃）室溫超導(dǎo)，相關(guān)論文同樣發(fā)表在了《自然》雜志上。已經(jīng)被上一個(gè)成果“忽悠”過(guò)的同行們對(duì)此持保留態(tài)度，靜觀其變。果然，這個(gè)研究結(jié)果不僅未得到廣泛重復(fù)，還被不少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)予以否定，如我國(guó)南京大學(xué)超導(dǎo)物理與材料研究中心的實(shí)驗(yàn)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所的實(shí)驗(yàn)等。
在更早的時(shí)候，關(guān)于室溫或近室溫超導(dǎo)體的研究還有很多。例如，2018年，兩位印度科研人員稱將納米銀粉加入金納米陣列中可以獲得236K（-37.15℃）的超導(dǎo)電性，其數(shù)據(jù)被質(zhì)疑，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的噪音模式是一樣的，這在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中是不可能的，后有印度學(xué)者出來(lái)辟謠稱是“量子噪音效應(yīng)”；2016年，科斯塔迪諾夫聲稱找到了轉(zhuǎn)變溫度為373K（99.85℃）的超導(dǎo)體，但是并未公布其組分和制備過(guò)程，以一種保密的姿態(tài)沒(méi)了后續(xù)；2012年，有團(tuán)隊(duì)宣布經(jīng)過(guò)純水特殊處理的石墨粉在300K（26.85℃）常壓下具有超導(dǎo)電性；2003年，有團(tuán)隊(duì)聲稱n型金剛石與電極、真空耦合后，能在常溫常壓下?lián)碛谐瑢?dǎo)現(xiàn)象……
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，歷史上聲稱發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)（接近或高于300K，相當(dāng)于26.85℃）的研究不少于7個(gè)，其結(jié)果不是未得到證實(shí)，就是論文被期刊撤稿。
雖然有這么多沒(méi)有后續(xù)的“室溫超導(dǎo)”事件，但也不必對(duì)超導(dǎo)的研究失去信心。從元素超導(dǎo)體到銅基，再到鐵基超導(dǎo)體，科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)的認(rèn)識(shí)正在一步步深入。值得關(guān)注的是，目前在常壓下，超導(dǎo)體Hg-Tl-Ba-Ca-Cu-O有最高的轉(zhuǎn)變溫度，為138K（-135.15℃），而在高壓下，LaH10材料的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了252K（-21.15℃），這些都已得到廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
辨別研究成果真?zhèn)尉壓钨M(fèi)時(shí)間
結(jié)合歷史上的多次“室溫超導(dǎo)研究”和此次韓國(guó)的“LK-99”事件，大家可能會(huì)感到困惑，一個(gè)材料是不是超導(dǎo)體難道不是一個(gè)“非黑即白”的問(wèn)題嗎？怎么還需要反復(fù)驗(yàn)證和經(jīng)歷時(shí)間拉鋸呢？事實(shí)上，辨別真?zhèn)伪緛?lái)就不是一件簡(jiǎn)單的事。
新的超導(dǎo)材料要想獲得認(rèn)可，既需要作者給出令人信服的數(shù)據(jù)，又需要其他同行能夠重復(fù)出同樣的效果。打個(gè)比方，北京的超導(dǎo)材料在紐約同樣應(yīng)該超導(dǎo)，這是物理人執(zhí)著的信念。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，要想確定一種新材料是否具有超導(dǎo)性，總需要用一臺(tái)儀器對(duì)一塊樣品做點(diǎn)什么。因此，對(duì)疑似超導(dǎo)體的驗(yàn)證工作至少分為兩個(gè)階段：獲得一塊高質(zhì)量的樣品，對(duì)樣品完成測(cè)試。
首先，制備樣品就不容易。對(duì)于超導(dǎo)材料，“高質(zhì)量樣品”往往代表一塊大小合適的干凈單晶。用來(lái)測(cè)試的晶體，缺陷要盡可能地少，而雜質(zhì)要幾乎完全排除。晶界（指晶體內(nèi)部不同晶粒之間的邊界）雜亂無(wú)章且有大量雜質(zhì)的多晶雖然容易燒結(jié)，但測(cè)試結(jié)果很難說(shuō)服嚴(yán)苛的審稿人和同行。由此可見(jiàn)，僅是制備出能用的樣品，就需要昂貴的高純?cè)?、?fù)雜的燒結(jié)條件，以及經(jīng)驗(yàn)和一些運(yùn)氣。
其次，就算獲得了適用的樣品，怎樣用它測(cè)試出有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)同樣不容易。常壓超導(dǎo)的樣品測(cè)試起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但也有很多步驟。樣品首先需要清潔、用細(xì)砂紙打磨——如果磨得輕了，樣品表面的雜質(zhì)沒(méi)被剝離，會(huì)帶來(lái)假信號(hào)；如果磨得重了，樣品又可能直接四分五裂。幾毫米長(zhǎng)的樣品磨好以后，還要并排粘上4根導(dǎo)電電極，用類似我們中學(xué)時(shí)學(xué)的伏安法電壓表內(nèi)接的方式測(cè)試電阻。電極要粘得平行等長(zhǎng)，彼此還要留出足夠的距離。從打磨到粘電極，這些在顯微鏡下進(jìn)行的精細(xì)活兒都要迅速完成，不然樣品若在空氣中氧化變質(zhì)，前面的工作就白費(fèi)了。
相比常壓超導(dǎo)，高壓超導(dǎo)的驗(yàn)證更加困難。且不說(shuō)上百萬(wàn)倍大氣壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)條件本身就勸退了大部分實(shí)驗(yàn)室，單純考慮測(cè)試技術(shù)就復(fù)雜到令人咋舌。比如，要想辦法給樣品均勻地施加并傳導(dǎo)壓力而不至于損壞；要將樣品連同加壓裝置一起冷卻、加磁場(chǎng)；要從加壓結(jié)構(gòu)中引出4根導(dǎo)線連接測(cè)試設(shè)備的電壓表和電流表；還要壓制復(fù)雜裝置和極端條件產(chǎn)生的噪聲信號(hào)……所以，高壓超導(dǎo)著實(shí)有些命途多舛：金屬氫超導(dǎo)的樣品揮發(fā)，結(jié)果不了了之；臨界溫度200多K的碳硫氫雖然名噪一時(shí)，但終究撤稿；今年3月的镥氮?dú)浠衔?，也草草收?qǐng)觥?/p>
綜上，驗(yàn)證超導(dǎo)體研究結(jié)果的真?zhèn)魏臅r(shí)良久，便不足為奇了。
超氫化物會(huì)是下一個(gè)希望嗎
說(shuō)了這么多，那室溫超導(dǎo)體究竟會(huì)出現(xiàn)在哪種材料上呢？
目前在所有的超導(dǎo)材料中，理論上最有可能實(shí)現(xiàn)、研究也最多的，就是超氫化物。根據(jù)能夠解釋常規(guī)超導(dǎo)的BCS理論，超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與構(gòu)成超導(dǎo)體的原子質(zhì)量M的平方根成反比?？茖W(xué)家由此想到，如果想要提高超導(dǎo)臨界溫度，尤其是接近室溫，那么最好的方法就是利用最輕的元素“氫”。
要想將常壓下沸點(diǎn)為-253℃的氫氣變成固體的導(dǎo)電材料金屬氫，就必須施加幾百萬(wàn)大氣壓的壓強(qiáng)。剛好，壓強(qiáng)的提高也有利于超導(dǎo)臨界溫度的提升。于是，世界各地高壓超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的金剛石壓砧里都注入了氫。但是，將氣態(tài)氫壓成固體，并保持穩(wěn)定再完成測(cè)量，實(shí)在是太不容易了。幾十年過(guò)去，直至今天也沒(méi)有人成功制備出金屬氫。
由于金屬氫太難制備，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向了稀土氫化物。元素周期表上的鑭系元素可以與多個(gè)氫原子結(jié)合成分子并相對(duì)穩(wěn)定地存在，這種含有多個(gè)氫原子的化合物就被稱為富氫化合物，如果分子中氫含量更多，就叫作超氫化物。其中，被研究得最多的材料是La-H體系。在高壓下用激光照射按比例混合的單質(zhì)鑭和氫氣可以得到LaH10，這是目前實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的臨界溫度最高的超氫化物，它可以在165萬(wàn)大氣壓下實(shí)現(xiàn)大約252K（-13℃）的超導(dǎo)。隨著研究的深入，超氫化物將逐漸受到關(guān)注，有可能刷新高壓超導(dǎo)的臨界溫度紀(jì)錄。
我們相信，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的突破，未來(lái)還會(huì)有更多的“室溫超導(dǎo)材料”出現(xiàn)?；蛟S，有的“室溫超導(dǎo)材料”最終被證偽；又或許，常壓室溫超導(dǎo)根本就不存在。但毋庸置疑的是，如果室溫超導(dǎo)真正實(shí)現(xiàn)，一定會(huì)為世界帶來(lái)巨大改變，如輸電損耗顯著下降、CT和磁懸浮列車等成本降低、可控核聚變裝置設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化等。凡科學(xué)探索，必然道阻且長(zhǎng)，人類對(duì)溫和條件下超導(dǎo)的探索不會(huì)停止，這是科學(xué)的期盼，也是科學(xué)的追求。
（作者單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所；專業(yè)審核：中國(guó)科學(xué)院物理研究所羅會(huì)仟研究員、劉淼副研究員）
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