室溫超導：一個反復上演 “狼來了” 的研究領(lǐng)域

就算室溫超導復現(xiàn)不成功，多些期待總是好的。

文丨賀乾明編輯丨程曼祺 龔方毅

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一隊韓國學者發(fā)布兩篇論文，宣布物理學領(lǐng)域重大突破，世界震動之余又將信將疑。一些同行試圖通過重復實驗或計算驗證可行性，也有一些學者提醒公眾別激動得太早。如今復現(xiàn)實驗有了新進展 —— 整體不樂觀，不過出現(xiàn)了積極的證據(jù) —— 學界還在疑惑，資本市場已被點燃。

這就是過去十多天圍繞室溫超導突破的所發(fā)生的一系列事。

“往小了說是諾獎的工作，往大了說這是改變?nèi)祟惏l(fā)展進程的研究。” 東南大學物理學院教授孫悅告訴《晚點 LatePost》，他從事超導研究十多年，經(jīng)歷過四五次類似的室溫超導突破 “烏龍事件”，這次依然迅速跟進復現(xiàn)，“室溫超導的突破實在太重要了”。

這大概也解釋了為什么鮮有科學研究會像室溫超導這樣，一次又一次有研究團隊宣布取得重大突破，但很快又因為其他團隊無法復現(xiàn)成果被拋在一旁?？墒侵灰儆醒芯繄F隊宣布新突破，仍會引發(fā)關(guān)注和跟進。

當韓國科學技術(shù)研究院在 7 月 22 日用相對完善的材料制作步驟、實驗數(shù)據(jù)和部分磁懸浮視頻，宣稱能在特定的室溫常壓環(huán)境中讓一種名為 LK-99 的材料實現(xiàn)超導時，人們的期待值再次被拉滿。

那些投入資源試圖復現(xiàn)研究的團隊，主要期待能在 127°C 以下的室溫常壓中，檢測出樣品同時存在兩種特性：

零電阻。就好比有一條河，水在河里流動會遇到石頭、樹枝等障礙物，就像電流在導線中流動會遇到電阻。河里的障礙會讓水流速度變慢并產(chǎn)生渦流，同樣，電阻也會讓電流變慢并產(chǎn)生熱量，這意味著電能會損耗。而超導體中電阻會消失。完全抗磁性。普通的材料放進磁場中，磁力線通常會穿過它們。但超導體能完全把磁力線彈開。如果你在磁鐵上放一個超導體，超導體會被推開并懸浮在空中。超導體隔絕磁場的時候，也讓外部的磁場變得更強，幾乎沒有能量損耗。因此超導體通常被拿來做超級磁鐵。

憑借超導體零點阻、抗磁性的特性，科學家們造出了核磁共振儀器，并有效推進了可控核聚變、量子計算機等前沿技術(shù)研究。現(xiàn)在想讓這一切發(fā)揮作用得花費巨大成本創(chuàng)造極低溫（-269 °C~-196°C）的環(huán)境。醫(yī)院的核磁共振儀里灌著售價數(shù)十萬的液氦，維持極低溫，隔幾個月還要定期補充；超導量子計算機僅降溫設備就得花幾百萬甚至上千萬元。

如果室溫超導能成真且大規(guī)模推廣，就能使超導材料和應用不再昂貴，同時使一些現(xiàn)在的不可能成為可能。從建設更有效率的電網(wǎng)，到讓更多病人用上便宜的核磁共振檢查，讓時速 600 公里甚至更快的磁懸浮列車可能會像高鐵一樣普及，可控核聚變、量子計算機的開發(fā)難度會隨之下降。

樣品沒復現(xiàn)超導特性，計算模擬顯示 “可行”

過去這一周，孫悅教授和他的團隊成員只能在實驗間隙短暫休息下。從看到韓國團隊的論文開始，他們便行動起來，采購材料、按照韓國研究團隊公布的實驗細節(jié)復現(xiàn)研究，忙的時候一天要工作超過 20 個小時。

“論文中還是會有前后矛盾和模糊不清的地方，比如 ‘前驅(qū)物’ 燒結(jié)（一種材料加工方法），開始論文中稱在空氣中，但配圖里展示的是真空；按照他們給出銅和磷元素配比，無法做出來前驅(qū)物?！?孫悅說。

他們憑借過往的研究經(jīng)驗，在模糊的地方做了不同嘗試，兩兩組合了 3 對設置，包括不同燒結(jié)環(huán)境（真空或有空氣）、兩種不同材料配比和兩種不同的燒結(jié)時間（10 小時或 20 小時），最終做出了 8 個樣品，借助 “X 射線衍射” 分析后發(fā)現(xiàn)，“結(jié)構(gòu)與韓國團隊基本完全一致”。

遺憾的是，他們沒能發(fā)現(xiàn)樣品是超導體的跡象——幾乎沒有抗磁性，更不用說懸浮了。北京航空航天大學材料科學與工程學院、印度國家物理實驗室等團隊得出的結(jié)論與孫悅團隊類似。

但有一些團隊，比如華中科技大學材料學院的團隊復現(xiàn)取得了一些進展。其團隊成員 8 月 1 日在 B 站上發(fā)布的視頻顯示，當用一塊磁鐵從下方接近樣品材料，它會 “立起來”，展現(xiàn)出了與 LK-99（摻雜銅的鉛磷灰石） 類似的抗磁性特征。

但這種特征并不能確定它是不是超導材料。視頻里也沒有呈現(xiàn)電阻測試的結(jié)果?！爸挥幸黄瑤资⒚状笮〉臉悠?，測電阻會破壞樣品，正在做新一批樣品?！?華中科技大學的研究者說。

直接燒樣品做復現(xiàn)之外，另有一些研究者用超級計算機模擬，看新材料為室溫超導體的可能性。同樣是在 8 月 1 日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員西尼德·格里芬（Sinéad M. Griffin）在 arXiv 上發(fā)布論文，聲稱用美國能源部的超算對 LK-99 材料模擬運算，認為它具備現(xiàn)實世界中室溫超導材料具備的性質(zhì)。

現(xiàn)在還沒有團隊真正復現(xiàn)出韓國團隊宣稱能實現(xiàn)室溫超導的材料。科學家們的質(zhì)疑聲同樣此起彼伏，認為韓國團隊做出來的可能只是 “室溫環(huán)境下具備微弱抗磁性的材料，并不是超導體”。

但這一次針對韓國團隊研究的復現(xiàn)與此前幾次室溫超導研究相比，情況已經(jīng)好了一點。這種微妙的變化也讓資本市場興奮起來，A 股市場多支超導概念股票連續(xù)兩天漲停，美股美國超導一天漲了 60%。

韓國的研究者還在增加更多實驗過程的信息，他們接受采訪時提到實驗過程中石英管破裂的情況?！案邷匮鯕馐裁磿r候進入？會不會有催化作用？” 一位清華大學物理系教授認為這些因素可能會直接影響樣品燒結(jié)的過程。

新的信息出現(xiàn)，新一輪的復現(xiàn)研究也在繼續(xù)。針對石英管破裂的信息，孫悅還會繼續(xù)調(diào)整試驗過程，比如在燒結(jié)樣品時的不同階段加入氧氣、空氣，模擬破裂造成的影響。他也在考慮嘗試不同的冷卻方式，第一輪燒結(jié) 8 個樣品時，他們選擇讓樣品慢慢冷卻，之后可能會嘗試在高溫時直接淬火，這可能也會影響樣品的特性。

關(guān)于韓國這項室溫超導研究還有一個變量來自研究團隊本身。該研究的主要作者之一李碩裴（Sukbae Lee）接受韓聯(lián)社采訪時稱，研究團隊其實尚未準備好發(fā)表論文，是同事未經(jīng)其他作者同意下擅自發(fā)布，團隊目前正向 arXiv 要求下架論文。截至發(fā)稿，該論文尚未下架。

一個希望和失望反復上演的領(lǐng)域

1911 年，荷蘭物理學家?？恕た帧の虄?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）借助 ?269 °C 的液氦發(fā)現(xiàn)超導這個神奇現(xiàn)象后，研究者們就開始用極低溫這個 “工具” 挨個實驗元素周期表上的材料，發(fā)現(xiàn)只要溫度夠低，大多數(shù)元素都能超導，而且具備物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Meissner）等人在 1933 年發(fā)現(xiàn)的抗磁性特征。

但很快瓶頸就出現(xiàn)了，研究者們意識到，他們發(fā)現(xiàn)的材料實現(xiàn)超導的最高溫度都在 -243°C 以下。就像現(xiàn)在許多研究者宣布找到了室溫超導材料一樣，當時有不同的研究團隊宣布找到了臨界溫度更高的超導材料，但也難以被復現(xiàn)。

-243°C 成了當時科學家普遍認為的極限，它像一張玻璃穹頂籠罩著行業(yè)，使許多研究人員認為此路不通，甚至轉(zhuǎn)行，超導研究一度陷入低谷。

直到 1986 年，人類發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象 75 年后，IBM 的研究人員格奧爾格·貝德諾茲（Georg Bednorz）等人靠陶瓷材料打破了超導的溫度限制，開啟了 “高溫超導” 研究時代。

所謂的高溫超導其實也只是相對 “高溫”，這些超導材料需要的最高溫度仍在零下 -196 °C。但近 50 度的溫度差帶來了一大好處，超導材料的冷卻工具變成了液氮，它比最初用作冷卻超導材料的液氦便宜了超 90%。

這次突破的更大意義還在于，它打破了研究人員心中的自我設限，使更多人敢于追逐比高溫超導更有野心的目標：“室溫” 超導體。

室溫又比 “高溫” 的溫度范圍高了一大截，它指地球上的正常環(huán)境區(qū)間，行業(yè)通常默認是 27℃ 。最近這十多年，多個實驗團隊宣稱實現(xiàn)了室溫超導，甚至還有研究者和團隊發(fā)現(xiàn)了兩次：

2016 年，德國萊比錫大學的一個團隊在《新物理學報》（New Journal of Physics）上發(fā)表論文，稱在巴西的一個石墨礦里找到了室溫超導體。2018 年，印度科學理工學院的一個團隊在 arXiv 上發(fā)布論文，宣稱發(fā)現(xiàn)了室溫超導材料，并公布了一些實驗數(shù)據(jù)。2020 年、2023 年，羅切斯特大學物理學教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）兩次在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布找到了室溫超導材料，但需要高壓環(huán)境。

中國科學院物理研究所研究員羅會遷在《超導 “小時代”》一書總結(jié)了這些 “室溫超導體” 研究的共性：“很難經(jīng)得住推敲和考證，它們很難被重復實驗來驗證——有的根本沒有公布成分結(jié)構(gòu)或者制備方法，有的實驗現(xiàn)象極有可能是假象，有的實驗數(shù)據(jù)極有可能不可靠?！?/p>

最后的結(jié)果就是，這些所謂重大突破被拋在一旁。比如蘭加·迪亞斯 2020 年發(fā)表在《自然》雜志上的論文因為同行質(zhì)疑太多被迫撤回。

希望與期待還是更多一些

“為什么室溫超導這么難？” 聽到這個問題后，孫悅沉默了一下，說：“我也不知道?！?/p>

這可能就是室溫超導體研究最難的地方，哪怕是資深的研究者都沒有什么好的研究思路，因為人類迄今還沒有完全理解超導體的原理。

與量子物理研究相比，超導體研究過程中，理論研究時常落后材料的發(fā)現(xiàn)。翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象后數(shù)十年，研究者們都很難理解這些元素為什么在極低溫狀態(tài)下沒有電阻。

愛因斯坦、海森堡、波爾、泡利等量子物理領(lǐng)域的頂級物理學家都嘗試過提出解釋超導現(xiàn)象的理論，最后均無功而返。直到 1957 年，物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、萊昂·庫珀（Leon Cooper）等人提出的 BCS 超導理論才對超導有了微觀層面上的解釋力，并得到同行認可。而隨著高溫超導體發(fā)現(xiàn)，這個理論局限性也展現(xiàn)出來。

“某種程度上說，它們甚至超出了物理學家目前的認知和掌控能力?！?羅會遷在書中寫道：“一萬個理論物理學家，就有一萬套高溫超導理論，哪怕數(shù)據(jù)其實只有一份?！?/p>

這意味著，高溫超導尤其是室溫超導研究是一個充滿偶然發(fā)現(xiàn)的過程?，F(xiàn)在幾類重要的超導材料，如銅基超導和鐵基超導，都是由非超導研究者在其他研究中無心發(fā)現(xiàn)。許多人調(diào)侃尋找室溫超導體就像 “煉丹” 一樣，并非沒有道理。

不過在尋找材料的過程中，研究者們也會借助一些輔助工具，就像超導現(xiàn)象剛發(fā)現(xiàn)時的 “極低溫”，在研究高溫、室溫超導體時，研究者們也找到了新 “工具”——壓力。

“不超導的材料，壓一壓，也許就超導了。已經(jīng)超導的材料，壓一壓，也許臨界溫度提高了。對于高溫超導體，再壓一壓，也許溫度上限就突破紀錄了?！?羅會遷在書中總結(jié)。

到目前為止，借助壓力這個工具做出來室溫超導材料的只有蘭加·迪亞斯的團隊，但沒有同行能夠復現(xiàn)他們的研究。

充滿困難但可能會改變世界，室溫超導體也成了科幻作品的素材。電影《阿凡達》的設定中，潘多拉之所以能夠吸引地球人類的注意力，關(guān)鍵原因是那里有大量室溫超導材料。

在地球上，研究者能否發(fā)現(xiàn)室溫超導體，會怎樣發(fā)現(xiàn)它，現(xiàn)在仍然是未知的?？梢源_定的是，人們時刻對它保持期待，并有研究者前赴后繼、想盡辦法去找到它。

在這個過程中，就像這些年屢次掀起的復現(xiàn)熱潮那樣，每一次新的可能性出現(xiàn)時，即使是持懷疑態(tài)度的謹慎研究者，也不會愿意缺席。

畢竟，沒有太多理論能幫研究者找到它的另一面，也意味著沒有理論確定找不到它。

室溫超導也是一個足夠重要，值得為之付出巨大嘗試努力的方向。它會是一把打開一連串寶箱的鑰匙。

對能大規(guī)模應用的超導材料長達百年的追逐，反應著人類特性中光亮的一面：即使希望與失望反復發(fā)生，希望和期待還是更多一些。

題圖：受磁場影響懸浮的超導體。來源：羅徹斯特大學。

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