21世紀經(jīng)濟報道記者王雪、實習生薛镕江 武漢報道
若室溫超導成為現(xiàn)實，超長距離輸電將高效無損耗、電子設備不再需要制冷系統(tǒng)來降低工作溫度、核磁共振成像將會成本更低、高能物理實驗以及人工可控核聚變研究等諸多前沿科學領域再向前一大步......能源、交通、醫(yī)療、計算機等領域的發(fā)展軌跡將被徹底改寫。
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因此，任何一項事關室溫超導的研究都能引起廣泛關注。今年3月，美國羅切斯特大學物理學家蘭加·迪亞斯及其團隊宣布，他們已經(jīng)創(chuàng)造出可以在室溫條件下實現(xiàn)超導的全新材料，但在不久后被證偽。7月，韓國研究團隊又發(fā)文稱合成了全球首個室溫常壓超導體LK-99（一種摻雜銅的鉛磷灰石），臨界溫度為127℃。緊接著，網(wǎng)上開始大規(guī)模傳播LK-99復現(xiàn)視頻，并稱已驗證邁斯納效應。
市場高度關注之下，LK-99究竟是不是室溫超導材料？室溫超導真的走進現(xiàn)實了嗎？人們要如何理性看學界給出的研究成果？中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員牟剛在接受21世紀經(jīng)濟報道記者專訪時指出，當前室溫常壓超導仍處于概念階段，目前已公開的數(shù)據(jù)無法百分之百確定LK-99是室溫超導體，仍需專業(yè)人士進行科學審慎的驗證。
（中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員牟剛/受訪者供圖）
室溫常壓超導仍處于概念階段
21世紀：近段時間學界涌現(xiàn)大量室溫超導研究，室溫超導究竟意味著什么？
牟剛：超導通常指代某種表現(xiàn)出非常優(yōu)越的導電性能的材料，其電阻為零、并且具有完全抗磁性。
目前所發(fā)現(xiàn)的超導材料，都必須在低溫下才能顯現(xiàn)零電阻特性。1911年，荷蘭科學家昂內(nèi)斯在用液氦冷卻水銀時發(fā)現(xiàn)，當溫度下降到4.2K（約為零下269攝氏度）時，水銀的電阻完全消失。這種現(xiàn)象稱為超導電性，達到超導時的溫度稱為臨界溫度。
提高超導材料的臨界溫度，一直是超導領域研究人員的一個努力方向。1986年，業(yè)界首次發(fā)現(xiàn)了銅氧化物超導材料，隨后其超導溫度被迅速提升到液氮溫區(qū)，即零下196攝氏度。液氮的廉價和易得，大大推動了銅氧化物超導材料在信息技術、生物醫(yī)學、科學儀器、電力、交通運輸?shù)阮I域的應用。但經(jīng)過近40年的研究，銅氧化物仍然是在常壓下唯一進入液氮溫區(qū)的非常規(guī)超導體。
在提升超導臨界溫度方面目前取得較大進展的是高壓下的富氫化合物。在很久以前就有理論學家預言，固態(tài)氫很可能是一種超導體，并且具有很高的臨界溫度。
只是，要把氫氣壓成類似金屬的固體，需要超高的壓力，所以科學家們轉(zhuǎn)而在含有氫元素的富氫化合物中尋找高溫超導體。幾年前，科學家們在H3S（單質(zhì)硫和氫氣在低溫高壓下可形成一種新型超導材料）中發(fā)現(xiàn)了高達203 K的超導行為，打破了有銅氧化物保持的記錄。目前學術界比較公認的具有最高臨界溫度的超導材料是LaH10（由氫原子和鑭系金屬組成），其臨界溫度在250-260 K，相當于零下十幾度，可以說距離室溫超導已經(jīng)只有一步之遙了。
值得注意的是，這些富氫化合物的高溫超導，均需要高達200萬大氣壓的極高壓強，因此仍舊不能夠走向?qū)嶋H應用。
室溫常壓超導指的是材料在室溫常壓條件下便能實現(xiàn)的超導功能，但目前仍是一個沒有實現(xiàn)的概念，也是超導材料學家們努力的一個方向。
21世紀：實現(xiàn)室溫常壓超導的難點在哪里？
牟剛：最難的地方在于沒有理論支撐何種材料能在室溫條件下實現(xiàn)超導。如果有令人信服的理論能夠預言何種材料能夠在室溫實現(xiàn)超導，那么研究材料學家一定會想盡一切辦法研究出相適用的材料。
21世紀：影響超導材料廣泛應用的最大制約是什么？
牟剛：現(xiàn)在的最大問題是超導臨界溫度不夠高。當然，若滿足了這一條件，在室溫超導體投入使用的過程中還會面臨其他的許多問題。
例如，室溫超導體用來輸電，就要考慮它對電流的承載能力是不是達到要求，也就是說臨界電流也是超導材料的重要指標。雖然室溫超導電阻為零，但超過了一定的電流后，超導狀態(tài)便不能維持，自然就不能沒有損耗地輸電。
所以下一步還要考慮提高室溫超導的臨界電流。另外在室溫超導的加工上，還要考慮穩(wěn)定性等其他問題。當然現(xiàn)在首先要突破的是超導臨界溫度。
無法確認LK-99是室溫超導體
21世紀：韓國一研究團隊聲稱發(fā)現(xiàn)了首個室溫常壓超導體LK-99，事實情況如何？
牟剛：首先，該韓國研究團隊在arXiv網(wǎng)站提交的文章是預印本，尚未經(jīng)過同行評議，沒有在正規(guī)期刊上發(fā)表的論文初稿，其權威性、準確性值得商榷。
其次，要判斷一個材料是不是超導體，必須滿足兩個條件，一是必須為零電阻，二是要具有邁斯納效應，即完全抗磁性。以上兩種特性必須通過專業(yè)的儀器設備進行測試。
目前韓國團隊給出的其中一個較淺顯易懂的證據(jù)，是材料呈現(xiàn)懸浮的狀態(tài)的視頻，但這只是必要非充分的條件，因為超導磁懸浮只是懸浮現(xiàn)象的一種，并不能說明視頻中的懸浮現(xiàn)象一定是超導材料引起的。
另外，根據(jù)我看到的數(shù)據(jù)，韓國團隊的報道中LK-99沒有達到零電阻，電阻只是出現(xiàn)了下降，這也是判斷超導行為的一個必要不充分條件。因為還有其他原因也可能導致電阻的下降，例如絕緣體到金屬的相變，通俗來講就是當絕緣體由于某種原因突然變成了金屬，電阻也有可能下降幾百甚至幾萬倍。
所以從上述兩方面總結，韓國研究團隊提供的證據(jù)不嚴謹、不充分，不能百分之百確定LK-99是室溫超導體。
21世紀：但美國勞倫斯伯克利國家實驗室學者在arXiv發(fā)文表示已經(jīng)從理論上支持LK-99具有室溫超導能力，對此你如何評價？
牟剛：我的理解是，實驗還沒有完全確定的情況下，這個理論可能要打問號，因為文章是基于LK-99這個材料在做解釋性工作。一般而言，某個室溫超導材料被發(fā)現(xiàn)，通過理論計算的方式，或許可以解釋該超導材料為何能在室溫下實現(xiàn)超導，但目前從理論上還做不到對室溫超導材料的預測，當然就更談不上證實了。所以我認為LK-99的室溫超導能力沒有得到實驗確證的基礎上，美國團隊給出僅僅是一個可能的解釋，我們應該對該解釋持觀望狀態(tài)。另外，LK-99到底能不能在室溫常壓條件下真正進入超導狀態(tài)，還需要進行精確的實驗檢驗。
21世紀：有中國研究團隊在網(wǎng)上發(fā)布視頻稱驗證了LK-99的邁斯納效應，在您看來這種驗證符合科學的邏輯嗎？
牟剛：一般來講，要驗證某個材料的邁斯納效應（完全抗磁性），需要測試材料在磁場下的反應，即磁化率。當磁化率達到-1時，就是完全抗磁性。但當前復現(xiàn)視頻呈現(xiàn)的多數(shù)情況是把材料放在磁鐵上，然后它有懸浮的狀態(tài)。
首先從邏輯上，磁懸浮不一定是超導帶來的。其次，僅看到懸浮的現(xiàn)象，無法判斷材料是不是完全抗磁性，需要精確地測試它的磁化率隨溫度和磁場的變化行為。
而精準地測定磁化率，需要專門的實驗儀器，絕不能僅停留在肉眼可見的現(xiàn)象。另外電阻測試與常規(guī)測試也不一樣，需要使用四探針的方式，來排除引線自身電阻和接觸電阻的影響，這樣才能準確探測到材料的真實狀態(tài)。
中國超導研究處于領先地位
21世紀：當前我國在超導領域研究進展如何？
牟剛：國內(nèi)的超導研究可以分為基礎研究和應用研究。在我看來，基礎研究主要包括兩個方面，一是研究超導材料的物理原理，二是探索發(fā)現(xiàn)更適合應用的新超導材料。基礎研究的成果可能不會馬上帶來實際的應用，但是對長遠的發(fā)展會有很大的推動作用。應用研究方面，主要是研究如何將目前已有的超導材料如何更好地實際利用的問題。
在基礎研究和應用研究兩個方面，國內(nèi)都有很大的進展，在國際上也處于較為領先的地位。例如，在超導新材料探索領域，1987年，中國科學院物理研究所的趙忠賢團隊獨立發(fā)現(xiàn)了臨界溫度93 K（零下184攝氏度）的釔鋇銅氧超導體，突破了77K的液氮溫區(qū)，這意味著人類可以利用成本較低的液氮來制造超導體，銅基超導材料自此成為了超導研究的一個重要領域。
2008年，中國科學家合成了一系列的鐵基超導體，最高臨界溫度達到了55 K（零下218.15攝氏度），至今仍保持著鐵基超導塊體材料臨界溫度的記錄。就在最近，中山大學研究團隊發(fā)現(xiàn)了具有較高臨界溫度的新型鎳氧化物超導材料。
在應用研究領域，國內(nèi)也有一些很好的進展。例如用超導材料的零電阻效應輸電。2021年年末，上海國際超導科技有限公司牽頭自主研發(fā)制造的世界首條35千伏公里級超導電纜輸電工程在上海正式投運，這開創(chuàng)了公里級超導電纜在全球城市核心區(qū)域的應用先例，目前已經(jīng)在穩(wěn)定運行，后續(xù)可能會有更大規(guī)模的應用。另外，超導材料還在濾波器、微弱磁信號和光信號探測、射頻諧振腔、量子計算等領域都有很大的應用空間和前景。
21世紀：如何使超導技術應用在日常生活中？
牟剛：目前，由于需要制冷，超導材料主要應用在相比傳統(tǒng)材料顯示出明顯優(yōu)勢的場景。當然，超導材料在日常生活中也有應用，例如醫(yī)院里的核磁共振儀，其中的磁體就是使用的超導材料。
真正走進日常生活有兩種可能，一種是發(fā)現(xiàn)室溫下的超導材料，且具備大規(guī)模應用的潛力。那時特高壓輸電線都可以換上超導材料。
另外，制冷技術的進步也將推動超導材料的應用。但從日常生活角度考量，超導體的制冷成本依然很高，并且制冷設備的體積也比較大，無法靈活使用。
因此，超導技術要真正應用在我們?nèi)粘Ｉ钪羞€需要攻克多環(huán)節(jié)難題，提高超導體的臨界溫度是重中之重。
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