除了付出努力,或許更需要運氣和靈感。
談及近日最火話題,"室溫超導"絕對佔有一席之地。
7月22日,韓國研究團隊在論文平台arXiv上發文稱合成了全球首個室溫常壓超導體——改性鉛磷灰石晶體結構(下稱LK- 99,一種摻雜銅的鉛磷灰石),它在常溫127℃可以實現超導效果,不僅顛覆了零下一百多度或幾百萬個大氣壓的嚴苛條件,也爲近代幾近停止的物理學帶來了發展的新契機。
由於"室溫超導體"的制備門檻超低,知乎、B站上的不少科普博主紛紛直播制備材料並驗證,打开B站搜索關鍵詞,“室溫超導”相關視頻已有超2000條,最高觀看量達370多萬,點贊人數25萬+,近千萬喫瓜網友在线打卡喫瓜,甚至在評論區push博主。
圖源:KL-99材料展示抗磁性
一石激起千層浪,伴隨着事件的發酵和關注度的攀升,各大學者、專家、科研機構和頂尖實驗室團隊紛紛下場驗證,數千萬網友在线“建言獻策”,期待見證一個新時代的到來。
圖源:韓國研究團隊在arXiv上的兩篇論文
量子計算和通訊、芯片制程突破、基因編輯、衛星防御......近二十年科技領域的創新突破不少,爲何獨"常溫超導體"成爲了全世界的焦點?我們首先需要了解LK-99成功驗證的意義。
超導體,工業革命的能源鑰匙
1911年,荷蘭科學家昂內斯發現,在零下269度時,汞的電阻會突然變成0,即發生“電阻爲零、抗磁性”超導現象。在超導態下,電流可以在導體中無阻礙傳輸,不會產生電阻和熱損失,從而大幅提升電導體和裝置的效率。這項發現在當時引起的軒然大波,汞因此也成爲了超導材料。
超導體具有三個基本特性:完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。
•完全導電性是指導體0電阻。
•全抗磁性即“邁斯納效應”,超導體表面能夠產生一個無損耗的抗磁超導電流,這一電流產生的磁場,抵消了超導體內部的磁場,且始終爲零,這是完全抗磁性的核心,也是超導體區別於理想導體的關鍵,磁懸浮的應用便是基於這一特性。
•磁通量量子化又名“約瑟夫森效應”,指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時,電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象。人們基於這一特性制造出了超導計算機。
目前,人類非超高壓電力遠程運輸系統中電力的損耗爲22.7%,而在使用中又會因爲電阻的熱效應損耗5-10%,如果再加上電池本身的衝儲效應,設備實際電力使用效益僅爲60-70%。假設超導體完全鋪設,按照目前的能源產生規模來說,相當於產能憑空增加一倍,人類將進入全新的能源時代。
超導體如果普及應用,除了最簡單的能源利用率攀升,對於生活方式也是突破性的改變。想象一下,高達700km/h的磁懸浮列車得到普及,24小時开着20℃的空調電費不擔心費用,沒有“爲發燒而生”的手機和平板;新能源汽車千裏高續航、1分鐘快充電成爲標配......
在國內,西電東輸,每年暑期的分區供電熱搜無一不反映出目前能源的匱乏,能源瓶頸深深阻礙了人類工業技術革命的進程。而地熱、太陽能、水力風力發電等的新能源技術所產生的能源,比起動則上兆度(一兆度=十億度)的缺口依舊是杯水車薪。
截至目前,人類已經發現了包含汞、銅、鍶等數千種超導材料,如硫化氫在160 萬個大氣壓有80K左右的超導電性。但總體而言,材料應用條件苛刻、難以規模化制備、測量、控制和保護超導材料、投產比價值不高等因素都使得超導體難以被規模化應用。
這樣看來,超導體技術應用似乎成了一場科技陷阱,無法避开,也看不到突破可能性。但最近,已經百年研究之久的超導體有望迎來跨越式突破,曙光乍現。
數千萬人圍觀,烏龍還是偶然突破
在韓國常溫半導體的新聞爆發得到關注之前,印度也在3月有過類似的信息傳來:來自羅徹斯特大學的Dias團隊宣布,他們實現了近環境壓強下的室溫超導。
根據論文來看,他們的科研小組利用三元氫化物(N-Lu –H,氮-鑥-氫),實現了1Gpa(或1000Mpa)條件下20度室溫的超導電性。隨後,南京大學超導物理和材料研究中心聞海虎團隊推翻美國室溫超導研究的結論,並於5月11日在國際期刊《自然》( Nature)雜志上發表文章,徹底對印度超導進行了否定。
不同於印度,韓國本次的超導研究不僅詳細展示了材料的結構和實驗的數據,還將制備過程和要求進行了細致介紹。
在韓國“常溫超導體”事件的發酵過程中,除了科研本身吸引人之外,不少瓜被也不斷爆出:自Sukbae Lee和Jihoon Kim1999年第一次發現並以兩個人的名字命名LK-99後,LK(L李石培和K金智勳)與權英完教授爲了發《Nature》雜志,找到美籍韓裔Hyun-Tak Kim教授合作,但隨後因爲Hyun-Tak Kim教授打算把權英完踢出團隊,停止分享數據,權出於搶功和擔心被拋棄,才着急把目前的半成品論文搶發了出來。這也是其他國家實驗室根據論文數據,懷疑LK材料造假的主要原因。
LK-99樣品和粒子模型
隨着事件的持續升溫,在各國喫瓜群衆的推波助瀾下,中美俄各大實驗室紛紛下場驗證,全球矚目。
•7月23日,俄羅斯科學家Iris Alexandra宣布成功制備出了具備常溫抗磁性的LK-99晶體,其結果在twitter上發布,這個LK-99晶體的抗磁性,比目前常用的抗磁物質熱解石墨強很多。
•7月30日,上海市超導材料及系統工程中心主任洪智勇稱:韓國研究團隊近期公布的超導體"極大概率"不能實現室溫超導。
•8月1日,湖北省武漢市華中科技大學材料學院博士後武浩、博士生楊麗,在常海欣教授的指導下,全程B站直播復現LK-99晶體燒制,樣品呈現了強抗磁性。上午,勞倫斯伯克利國家實驗室 (LBNL) 格裏芬教授使用超級計算機對材料結構進行了模擬,模擬結果認爲LK-99有成爲超導材料的潛質,但這種結構極其難以達到,也就是說要燒制出樣品並沒有那么容易。
•8月2日,曲阜師範大學高壓科學研究團隊,宣布成功復現了LK-99自制樣本的抗磁性,但目前遠不能證明爲邁斯納效應。同日,中科大研究人員的放出復現LK-99樣本結果的視頻,顯示抗磁性。
•8月4日,中國科學院高能物理研究所研究員徐慶金表示,公衆對室溫超導高度關注,說明了大家對於科學話題的熱情,但不要再盲目炒作室溫超導。同日,韓國團隊第二篇論文三作HuynTak Kim放出了第二個LK-99半懸浮視頻。他對於全世界湧起的LK-99復現熱潮表示非常歡迎、拭目以待。
•8月6日晚,博主煉丹師阿翔在抖音發布的LK-99完全懸浮視頻。
•8月8日晚,來自北京大學量子材料科學中心的研究團隊在預印本網站arXiv提交的論文顯示,其團隊合成的LK-99樣品沒有表現出超導性。該團隊成功觀測到了“半懸浮”,表示樣品普遍含有弱而明確的軟鐵磁成分,這足以解釋在垂直磁場中觀察到的半懸浮現象。
煉丹師阿翔視頻截屏
同時,據韓國媒體報道,韓國超導與低溫學會8月2日宣布成立一個由專家組成的驗證委員會,以回應圍繞室溫超導體的持續爭議。根據該驗證委員會迄今爲止的討論,已經得出結論,兩篇論文和公开可用的視頻中呈現的數據並不支持LK-99是室溫超導體的說法。
作爲回應,該驗證委員會要求量子能源研究中心提交LK-99樣品,以進行室溫超導體的驗證測量。這個驗證過程由首爾國立大學、成均館大學和浦項科技大學的研究人員參與。
該學會還提到,除了驗證委員會之外,成均館大學量子材料和超導中心、韓國大學超導材料和應用實驗室以及首爾國立大學復雜材料新態研究中心正在進行復制LK-99的研究。
A股超導概念8月8日大幅下跌
受信息影響,8月8日16只超導體成分股中超八成飄綠。其中,昨日漲停的國纜檢測、百利電氣今日跌破9%,美國超導(AMSC)股價收跌2.52%,盤前延續跌勢,最高跌幅超12%。
一切似乎將塵埃落定。
結語
科技革命總是需要伴隨着波折,如今技術發展和理論研究都進入了深水區,科技革命的難度已呈指數級上升。想獲得突破,除了付出努力,或許更需要運氣和靈感。
這次韓國團隊對於LK-99的發布雖然已被多方驗證爲假,但我們相信,這本身已是人類科技研究史上的重要一筆。讓人欣慰的是,盡管韓國、印度此前出現過不少學術烏龍,但在整個實驗的復現過程中,大家更多是進行技術探討,充滿了包容和期待。
這或許是下一輪科技革命的前哨,失敗並不可怕,人類群體滿懷期待,曙光就在不遠的將來。
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標題:室溫超導,一場人造的全球狂歡?
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