超导材料为啥被称为物理学圣杯 超导材料对未来人类社会有什么重大意义

日前，一批韩国科学家连发两篇论文，宣称造出了一种在室温和环境压力下完美的超导材料——LK-99。消息一出，人们惊呼：如果是真的，可以直接拿诺贝尔奖。但随即，这个事情遭到了各方面的质疑，各国科学家正紧锣密鼓复制实验。为什么科学家热衷研制超导材料?超导材料对未来人类社会有什么重大意义?研制超导为什么这么难?我们一起来看看。

3小时内提交两篇论文

7月22日7时51分、7月22日10时11分，韩国量子能源研究中心、高丽大学等团队的研究人员连续在数学文献库预印本网站arXiv发表了两篇论文，宣布成功合成了世界上第一个室温常压超导体，即在常压条件下，一种改性的铅-磷灰石(命名为LK-99)能够在127℃(Tc≥400k)以下表现为超导体。不过，该论文尚未经同行评议。

这篇文章题为《首个室温常压超导体》，该论文由韩国高丽大学教授权永万上传，该论文的第一作者与第二作者金智勋均为韩国量子能源研究中心的研究人员，该公司的官网目前因访问人次过多被封锁。权永万只是前述论文的第三作者。

2.5小时后，同一主题的另一篇论文《超导体 Pb10-xCux(PO4)6O 在室温和大气压力下的悬浮现象及其机理》也被提交至arXiv网站。与稍早前公开的论文相比，后者被认为更严谨，对材料样品的制备过程描述更为详尽、充分，不过部分注释还是韩语。

第二篇论文有6名署名作者，权永万并不是署名作者，第二篇论文由第三作者美国威廉玛丽学院的物理学研究教授金铉德上传。该论文与第一篇论文有相同的第一、第二作者，金铉德教授在接受采访时直接表示，第一篇论文里存在“许多缺陷”，并且未经他的允许就被上传了。

科学家已为此努力百年

两篇韩国科学家的论文引起学界巨大的关注，是因为常温常压超导材料是人们追求了上百年的目标。

100多年前的1911年，荷兰物理学家昂内斯在研究中发现，当温度降到4.2K(约-268.95℃)以下时，金属汞的电阻突然降为零。汞成为了科学家发现的第一个超导体，其超导Tc为4.2K。超导Tc即超导转变温度，也就是超导体由正常态进入超导态的温度。20余年后，科学家迈斯纳发现，材料处于超导态时，其内部磁场为零，这也就被称为迈斯纳效应。超导现象的发现被认为是20世纪最伟大的发明之一。

自昂内斯发现超导性以来，科学家们一直在寻找室温超导体。室温超导被众多物理学家奉为这个领域的“圣杯”，因为大多数超导体只有被冷却到绝对零度(-273.15℃)左右才能进入超导状态。就算是目前被认为“最温暖”的超导体——超高压下的硫化氢——也只能在 -70℃ 的温度下达到超导状态，这对大规模的应用开发来说是一道极大的障碍。

韩国团队所说的LK-99如何获得?第二篇论文显示，研究团队使用固相法合成了LK-99，合成原料为氧化铅、硫酸铅、铜和铅。样品合成过程具体包括三个步骤：第一步，将氧化铅和硫酸铅粉末在陶瓷坩埚中以各50%的比例均匀混合，混合粉末在725℃的炉中加热24小时发生化学反应。第二步，将铜和铅粉末按比例在坩埚中混合，合成磷化亚铜，让混合后的粉末处于相应的真空封管状态下，然后置于炉内550℃加热48小时。在此过程中，混合材料发生相变，形成磷化亚铜晶体。第三步，将上述两步所得物质磨成粉末，并在坩埚中混合，再将混合粉末真空封管，在925℃的炉内加热5至20小时。

论文研究团队称，在此过程中，混合粉末反应转化为最终材料，这种多晶材料也就是他们命名的LK-99。他们总结称，LK-99的超导性已经通过超导临界温度Tc、零电阻率、临界电流(Ic)、临界磁场(Hc)和迈斯纳效应得到了证明。此外，公开资料显示，前述研究人员早在2022年8月已为LK-99申请了国际专利，并于2023年3月被授予专利。

目前业内普遍认为，LK-99的制备过程似乎相当简单。

为表明实验结果可靠，7月26日凌晨3时31分，金铉德还上传了一则视频，目前视频浏览量已超73万人次。不过，这块扁平的、像硬币一样的材料的悬浮情况并不是十分完美，仍有一边似乎接触磁铁。就该情况，金铉德称，这表示这个样品并不完美，只有一部分成为超导体并表现出迈斯纳效应(抗磁表现)。

超导材料将引发全新的工业革命

全世界的科学家们一直孜孜不倦地寻找常温常压超导材料，并有过一些重大成果。上世纪80年代，铜基超导体的发现将超导Tc带到了超过40K;进入21世纪之后，日本、中国等科学家在铁基超导体上实现了超导Tc的进一步提升。

国际高温超导研究领域的先驱者、著名物理学家朱经武今年3月在接受媒体采访时曾表示，过去，我们以为达到液氮温度77K(-196度)以上就可以应用了，但是在制备材料时，发现有困难，成本太贵了。后来，当人们把温度达到室温后，发现要加很高的压力，这又产生了问题。可以说，过去的100多年时间里，超导领域始终处于不断探索的途中。超导材料的研究被称为这个领域的“圣杯”。

那么常压室温超导体如果研究成功，会对现在的世界产生什么影响?

南京大学教授闻海虎表示，研究常温常压超导是非常重要的一件事情，如果能够实现，能够带来很多方面的改变。首先，输电的时候使用常温超导，电能在电路上的损失都可以节省下来，非常省电。在医疗方面，医院使用的核磁成像装置，如果有常温常压超导材料就不需要用任何低温制冷的液体，使用价格将会非常便宜。如果将超导磁悬浮运用在轨道交通上，在真空的管道里运行的高速列车，它的速度能够达到每小时1000公里以上。日常生活中，手机如果能用上超导材料，手机信号会大大提升。汽车发动机使用超导材料，效率会提高很多，会让汽车跑得更远更快。

在大型的高速、高容量的计算中，散热是一个比较棘手的问题，如果室温超导成功的话，用这种材料做成计算芯片的连线就不会发热，计算容量也会提高。在国防方面也非常有用，用它做成的滤波器，可以保证通讯信号的品质。

科学家们认为，室温超导如果研究成功，电器、电子、医疗、国防、轨道交通、新能源、大型的计算和量子计算等等方面都会有飞跃性的发展。这将是一场真正的革命，一场深刻的工业革命。

数月前曾有相似研究被质疑后撤稿

正因为常温超导的巨大意义，人们对相关消息非常关注，而号称发现“首个室温超导体”的情况也不是第一次见诸报端了。

早在2018年，两位印度科学家宣称，在13℃下，一种金银纳米粒子构成的混合物显现出了超导特性。但这项研究在当事人2019年5月发布了一篇修正后的论文后就不再有后续。《中国科学报》报道称，2018年7月，来自印度科学研究所的两位学家Dev Thapa和AnshuPandey 在arXiv平台发表了一篇论文，声称他们在室温常温和压力条件下成功实现了“超导性”。但这个消息引发了其他科学家的大面积质疑。

今年3月，美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯及其团队宣称发现了室温超导：一种镥氮氢材料，可在近1万个大气压(1 GPa)下实现了20℃左右的室温超导。但他们的研究遭到了很多科学家的质疑，这就包括中国南京大学物理教授闻海虎。3月15日，闻海虎团队在预印本网站arXiv提交了一篇包括9个作者、长达16页的研究论文，题目是“氮掺杂氢化镥(LuH2±xNy)近环境条件下不存在超导性”，直截了当否定了迪亚斯的研究结论。这距离迪亚斯的研究发布只有8天。此后，还有多个实验团队发表声明，在迪亚斯声称的环境下无法发现超导现象。迪亚斯发表在《自然》和《物理评论快报》上的文章，也在质疑声中被撤稿。

这次韩国研究团队的成果能否经受考验?闻海虎在接受采访时直接表述：“我们仔细分析了他们的数据，从三个方面——电阻、磁化和所谓的磁悬浮，都不足以说明它是超导现象(材料)……我们判断(它所谓的超导)极有可能是个假象。”对于重复实验，闻海虎表示：“其实我们都不想做，因为我们判断它不像超导，后来也派了一个同学在做着。国际上很多组都在重复。凭我们的经验看，(目前论文公布的数据)不足以说明它是超导。”

此前有消息网传中国科学院物理研究所复现了前述韩国团队科研论文的结果，27日，中国科学院物理研究所微信公众号回复相关留言称，“目前没有完成相关实验的消息，请以公开发表的论文为准。”

闻海虎解释，要形成超导，“你要想办法让两个电子要形成配对。通常金属中电子是单电子传导电流，所以它有电阻。那么你让电子配成对以后，它形成一个新的电子有序态，就是‘电子配对’。以前电子‘各自为政’，现在配成对，有次序，就会出现零电阻，也就是超导。那么如何导致两个电子配对?可以是原子振动的帮助，也可以是磁相互作用的帮助，大概是在这两个主要思路下在进行探索。”

他表示，自然界那么多种元素，两两混合，或者三种混合，形成的材料成千上万种材料。“你就要去思考、筛选，结合理论计算，最后看有没有可能高温超导。现在的理论还不能够尽量准确地描述，在这种情况下，只能够按照感觉去做，所以，困难就在这儿。”