能量守恒无损耗？韩国发现“室温超导”这次靠谱吗?

来自韩国的物理学家团队，近日在预印本网站arXiv上传了两篇论文，宣称发现了首个室温常压下的超导体。

论文声称：在常压条件下，一种改性的铅磷灰石（文中称为LK-99）能够在127℃以下表现为超导体。

论文一经公布，便在网络上引发了热烈讨论。

arXiv上的论文截图 图片来源：参考资料[1]

看到这条新闻的你，一定会产生这样的疑问：怎么又是室温超导？怎么又吵翻天了？以及，为什么有种似曾相识的感觉？

太长不看版

超导是材料在一定温度下电阻变为0的物理现象；

超导体的应用有望为科技带来巨大变革，但苦于超导转变温度过低，应用受限；

室温条件下的超导体是超导研究人员的终极梦想；

此次引爆舆论的韩国论文尚未通过同行评议，对于论文宣称的结果需保持谨慎，还需进一步实验验证。

超导是什么？

物理上，超导（superconductivity）是材料在低于一定温度时电阻变为0的现象，转变后的材料称为超导体（superconductor）。

中学课本里提到过，在一个电路中，导线里的电荷在电压驱动下会像跑步运动员一样运动，从而形成电流，但经过导体的电阻会阻碍它们的运动。

如果电路由超导体组成，电荷就能在电路中自由自在地奔跑，电流会一直流动下去。在一个超导铅制成的环路中，可以连续几个月都观测不到电流有减弱的迹象。

超导现象由昂内斯在1911年发现 图片来源：诺贝尔奖官网

除了电阻为0以外，超导体还有另一个奇特的性质，称为完全抗磁性。材料转变成超导体后，就好像武僧使出了金钟罩，体内的磁场会“排斥”掉几乎所有的磁通量，磁力线无法穿透超导体。

这个现象也被称为迈斯纳效应。

根据超导体的完全抗磁性，可以做个有趣的实验：在超导体的正下方放置一个磁体，磁体在周围产生磁场，而超导体的内部不允许磁场存在，从而产生相反磁场，与磁体互相排斥。

如果排斥力和超导体的重力相平衡，就能让超导体悬浮在半空中，仿佛科幻小说中的场景。

后来物理学家总结，要看一个材料是不是超导体，就看它是否同时具有零电阻现象和完全抗磁性的特性，两者缺一不可。

因为自身特殊的性质，超导体引发了人们对它未来应用的无限遐想。比如：

零电阻的电路几乎没有热损耗，使用超导体材料进行长距离大容量输电，能极大地减少能量浪费，提高能源利用效率；

超导线运用于发电机、电动机能大幅提高电流强度和输出功率；

超导体制作超大规模集成电路的连线，能解决散热问题，提高运算速度。

超导体的现实应用，有可能为科学技术带来巨大而深刻的变革。

可惜，理想很丰满，现实很骨感。直到目前为止，超导体的实际应用还主要集中在粒子加速器、磁悬浮、超导量子干涉仪等特定情境中。在电力工程方面，尤其是被寄予厚望的超导线长距离输电，大范围应用仍然遥遥无期。

是什么限制了超导体的大范围应用？根本原因只有一个：温度。

高温超导体

材料转变为超导体的温度被称为超导临界温度（Tc），低于这个Tc，超导体才能保持自身的超导性质。

然而，绝大多数材料的Tc都非常低，基本都在-220℃以下，需要借助液氮或液氦等维持低温环境。

想象一下，辛辛苦苦建造一条几百公里的超导输电线，还需要全程浸泡在液氮中冷却，成本得多么夸张！

所以为了让超导体得到更广泛的应用，必须要找到Tc更高、最好是室温条件下（大约25℃左右）也能保持超导性质的材料。

从发现超导现象开始，物理学家对高Tc超导体的寻找从未停止，但一直举步维艰。

在发现超导最开始的70多年内，Tc的上限连突破-240℃都很困难。还好后来物理学家陆续发现Tc超过-173℃的超导体，目前超导体最高临界温度的记录保持者是150万个大气压下的硫化氢，Tc大约是-73℃，离理想的室温还是有一定距离，如此高压的条件也意味着难以实际应用。

韩国的“室温超导”

看到这，如果你还记得开头的内容的话，就发现这个韩国团队发表的论文有多么惊世骇俗了——他们宣称发现了常压下Tc大约是127℃的超导体，不仅把Tc带到室温，更是一下子直接提高了200度！

根据论文描述，他们把多种含铅、铜和磷的材料经过一定组合后分别混合加热，制备得到一种掺杂铜的铅-磷灰石晶体，并且称之为LK-99。

论文提供的LK-99的照片 图片来源：参考资料[1]

然后，他们测量了LK-99的物理性质。

根据他们给出的实验结果，在127℃以下，给LK-99施加电流，在一定的电流范围内电压都基本为零，表现出了零电阻的特性。

论文宣称，温度、电流和磁场达到一定临界值后，零电阻现象也随之消失，符合超导体的性质。

在达到临界电流前，LK-99的电压趋于零，表现出零电阻 图片来源：参考资料[1]

除了零电阻以外，超导体的另外一个重要特性是完全抗磁性。

对此，团队提供了实验数据图，还在网上发表了视频演示。视频中，在室温常压的环境下，一小片LK-99样品放在一块磁铁上，一端贴近磁铁，另一端自发抬升，仿佛受到了某种排斥力。

不过，视频里的抬升并不像很多超导体的迈斯纳效应那样，完全悬浮在磁铁上。事实上，部分强抗磁性的材料，比如铁磁粉末压块，在强磁场下也会和磁体排斥，出现视频中类似的抬升效果。

因此，单凭这段视频，并不能证明LK-99拥有超导体那样的完全抗磁性。

但论文团队认为，他们的一系列实验验证了LK-99在室温常压下是超导体。

他们还作出了理论解释，认为铅磷灰石的部分铅离子被铜离子替代后，体积微小地收缩导致材料结构变形，进而在内部的交界面上产生了超导量子阱，从而产生了超导现象。

论文尝试从结构上解释LK-99室温超导的原理图片来源：参考资料[2]

不过，LK-99的结构与之前发现的主流高温超导体有显著不同，他们给出的理论解释暂时还只是一种猜测。

狼来了的故事

你会对室温超导有“似曾相识”相识的感觉，可能是因为就在今年3月，曾经有另一个和室温超导相关的“重磅炸弹”，在公众之中掀起了不小的波澜。

当时，在美国物理学会会议上，美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队宣称，他们在1GPa（约等于1万个大气压）的压强下，在镥-氮-氢体系中材料中实现了室温（约21℃）超导。

罗切斯特大学的兰加·迪亚斯 图片来源：罗切斯特大学

然而，在迪亚斯发布研究仅仅一周后，多个实验团队就发表论文声明，在针对镥化氢化合物的重复实验中没有发现超导现象。

尽管迪亚斯坚持声称自己的实验结果真实可信，但他在《自然》和《物理评论快报》（Physics Review Letters）上发表的文章接连因造假嫌疑被撤稿，他提出的室温超导材料也被认为证据不足而受到了广泛质疑。

镥-氢-氮材料的电阻随温度的变化曲线，温度低至2K都没有发现超导转变 图片来源：参考资料[3]

与今年3月迪亚斯的“发现”相比，这次韩国团队论文中的常压下127℃的超导还要更加令人震惊。那么，韩国团队的“实验结果”，会不会和迪亚斯宣称发现室温超导一样，最后变成争议不断的学术闹剧呢？

值得一提的是，上次迪亚斯的论文一开始是发表在《自然》上，虽然当时还没有实验复现，但至少经过了一定的同行评议；而这次韩国团队的论文发表在预印本网站arXiv上，完全没有同行评议的过程。

arXiv发布论文的门槛很低，通常是研究人员在自己论文正式发表之前，先在arXiv上传预稿证明原创性，论文往往是鱼龙混杂，质量难以得到保证。

其实不仅是迪亚斯，几乎每年都有团队声称发现了室温超导的材料，可至今没有一个得到严谨的实验证明。

2016年发表在arXiv的论文声称，发现转变温度在373K的室温超导体。图片来源：参考资料[4]

比如说，arXiv上至今还能搜到2016年上传的一篇论文，声称发现了超导转变温度在373K（也就是100℃）左右的化合物，也同样有多个实验数据图和迈斯纳效应的效果图，与此次韩国团队的论文如出一辙。

只不过，那篇论文没有公布化合物的成分，实验过程也不严谨，在磁体上的悬浮还被质疑真实性，最后没有通过同行评议正式发表，也就再没有引起更多的关注。

2016年的这篇论文中，同样出现了类似迈斯纳效应的实验图，然而无法证明其真实性 。图片来源：参考资料[4]

相比之下，这次韩国团队不仅公布了他们使用的材料，还在论文中介绍了详细的材料制备方法，而且材料成分比较简单和明确。想要制备出相同的材料，拿来检验韩国团队的实验结果，难度并不大。

事实上，已经有团队在着手制备材料了，相信很快就会有科研团队提供相同条件下的实验结果，验证韩国团队的结果是否正确。

论文提供了LK-99的详细制备过程 。图片来源：参考资料[1]

LK-99材料究竟是划时代的发现，还是又一场学术乌龙，可能在未来的几天内就会揭晓。

作为围观群众，我们应该做的就是静静等待，让子弹再飞一会。

参考文献

[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008

[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037

[3] Ming X, Zhang Y J, Zhu X, et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy[J]. Nature, 2023: 1-3.

[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482

鸣谢：本文得到中国科学院物理研究所罗会仟研究员在专业上的指导和帮助，特此致谢！