韓國造出世界首個室溫超導體？127度實現超導，復現即鎖定諾獎

編輯丨編輯部

來源丨新智元（ID：AI_era）

【資料圖】

室溫常壓超導，又被人突破了？

這次，是韓國科學家。

他們聲稱發現世界首個室溫常壓超導體——改性鉛磷灰石晶體結構。

韓國物理學家在論文中表示——

所有證據都可以證明，LK-99是世界首個室溫常壓超導體。

LK-99的誕生意味著室溫超導領域的重大突破，開啟了一個全新的歷史時代。

消息一出，瞬間引爆互聯網，分分鐘登頂Hacker News。

假如這次發現為真，那么我們就能實現無損的能量傳輸，全球的能耗問題將從源頭上解決，人類能利用電能獲得巨大的力量。

如果再從根上掌握了可控核聚變，我們甚至可以進行遠距離的太空旅行。

而掌握這項技術的人，無疑將引領世界，簡直就是科幻走進現實。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2307.12008

不過，這一次，是真的嗎？

網友們炸了：

能復現不？

甭管論文看沒看完，網友們是先炸為敬。

「如果是真的，那就是核彈級消息。」

「這可太瘋狂了。我對于這些科學研究通常都持懷疑態度，但這一次，似乎是可信的。

接下來，就等著看實驗結果能否復現了……」

「我無法抑制自己的興奮。這感覺就像2020年1月，一場巨大的浪潮即將到來，但還沒有任何人意識到。活著真是太好了！趕快讀讀論文。」

「大家請注意，市場目前對這篇論文持懷疑態度——即使概率能高達六分之一，都會讓我驚訝。」

「如果真的能實現室溫超導電子設備，太赫茲處理器速度的前景就太誘人了！」

「如果能證明這次是真的，那可真是重磅消息。

但如果要等到應用，估計不會很快。無數例子證明，科學研究的實現會滯后20年。」

「那些80年代中期的高溫超導體現在都已大規模生產，用于核磁共振和聚變初創公司。

我不認為所有的超導體突破都需要40年，理由很充分：行業引導、市場發現等都已完成。」

甭管說得多么玄乎，還是讓我們仔細讀讀論文。

世界首個室溫常壓超導體？

韓國科學家表示，他們在全世界首次用化學方法合成了室溫常壓超導體——LK99（改性鉛-磷灰石）。

盡管人類很早就知曉物質的性質源于它的結構，但迄今為止，我們發現的影響超導體產生超導性的兩個主要因素，是溫度和壓力。

它們通過引起應力使材料中的結構發生微小的變形和應變，從而為超導創造電子狀態。

而LK-99的超導性是由微小的體積收縮（0.48%）導致的結構形變引起，不是由溫度和壓力等外部因素引起的。

通過臨界溫度（Tc）、零電阻率、臨界電流（Ic）、臨界磁場（Hc）和邁斯納效應，都可以證明LK-99的超導性。

圖1(a) 顯示了不同溫度（298K-398K）下的測量電壓與施加電流

圖1(b) 為LK-99薄膜的零電阻率

圖1(c) 顯示了外加電流對外加磁場（H）的依賴關系

在圖1(e)和(f)中，顯示了在400K和3000Oe以上的情況下，臨界電流值仍未為零（7 mA）

從以上實驗數據可以判斷，LK-99的臨界溫度在400K以上。

圖2：作者通過X射線衍射分析（XRD），與COD數據庫進行匹配，確定了LK-99的晶體結構為多晶體（Apatite: 磷灰石）

LK-99為灰黑色，與典型超導體的顏色相同。

它具有三維網絡結構（如下圖），是一個被絕緣四面體結構包圍的圓柱形柱。

在如下側視圖中，間隔排列的這些圓柱形柱由非對稱的六面體組成，包含兩個對置的三角形。

研究者發現，由于LK-99中離子的替換，導致體積減少了0.48%，因為離子（87 pm）比離子（133pm）小。

應力發生在網絡部分，然后就導致了超導性的出現。

而LK-99的熱容曲線（右下黑色曲線）不遵循Debye模型，證實了LK-99具有被取代而扭曲的結構。

同時，LK-99的EPR信號圖（如下），證實了Pb(1)和磷酸鹽界面上存在量子阱（SQW）。

而Pb(1)和磷酸氧之間通過結構畸變和應變產生了SQW，其結構如下圖所示。

與此前研究不同，LK-99的超導性的表達，與SQW的形成密切相關。

Josephson等發現了超導體之間存在隧穿效應，這意味著電子通過隧穿在量子阱（SQW）之間移動時，電阻將為零。

考慮到LK-99中SQW間隔預計在，此時SQW之間的隧穿效應很可能發生，LK-99也就獲得了超導性。

總之，LK-99之所以在室溫和環境壓力下表現出超導性，就是因為LK-99中，離子的置換所產生的應力沒有得到緩解，同時又被適當地傳遞到了柱-柱界面上。

這種適當的變形，在界面中產生了SQW，而不會產生松弛。

在論文最后，研究者表示：所有證據都可以證明，LK-99是世界首個室溫常壓超導體。

而LK-99的應用場景十分廣闊，包括磁鐵、電機、電纜、懸浮列車、電力電纜，量子計算機的量子比特和THz天線等。

總之，LK-99的誕生意味著室溫超導領域的重大突破，可以說開啟了一個全新的歷史時代。

上一個已被打臉

今年3月，物理學界就曾掀起一場軒然大波。來自美國羅切斯特大學的物理學家Ranga Dias聲稱自己在21℃條件下實現了室溫超導——由氫（99%）、氮（1%）和純镥制成的材料LNH在21°C、1GPa條件下就實現了超導狀態。

如果他所述屬實，無疑是在該領域取得了顛覆性突破，相當于摘下了物理學的一座圣杯。

這樣一顆驚雷在拉斯維加斯舉辦的物理學會上炸響，當場震驚了所有大咖。

不過，很可惜的是，Ranga Dias的結果此后并未被任何一個實驗室成功復現。

Dias繪制的晶胞圖，白色原子是氫，綠色的是镥，粉色的是不同位點的氫原子

中科院物理所也發表論文「打假」，表示沒復現成功：二元镥氫化合物（Lu4H23），在71K（-202°C）、218GPa條件下實現超導轉變，這一結果既不「室溫」，也不「近常壓」。

論文地址：https://arxiv.org/abs/2303.05117

在更早的時候，第一個已知的超導體只能保持在高達約25K的超導狀態。

在20世紀80年代末，研究人員發現了第一個所謂的高溫超導體，其超導率高達90 K——液氮可以達到這種溫度。

科學家認為他們正處于室溫超導體革命的風口浪尖上。

1911年發現了第一個超導體Mercury

但是，到目前為止，這些早期實驗中使用的高溫超導體（主要是氧化銅）都沒有顯示其超導性保持在約160K以上，低于南極洲記錄的最冷溫度。

還有另一條預測的高溫超導路徑。模型表明，在巨大的壓力下，氫可以轉化為金屬，在數百開爾文時可以超導。

包括Dias和他的哈佛大學博士后顧問Isaac Silvera在內的幾組研究人員聲稱在實驗室中制造了金屬氫，但該州存在的確鑿證據仍然難以捉摸。

研究人員更幸運地創造了在較低壓力下凝固的金屬氫合金。

2009年，研究人員聲稱發現了第53種元素是超導體。在發現結果背后的數據受到操縱后，這一說法后來被撤銷。

2015年，來自德國的一個團隊報告了硫化氫（H(3)S）的超導性，為203 K和155 GPa。四年后，有報告稱氫化鑭（LaH(10)）在250 K和170 GPa實現超導。第一個室溫超導體似乎觸手可及。

2020年10月14日，Dias和他的同事在Nature上宣布，他們在含氫材料碳氫化合物（CSH）中發現了超導性，其含量為287 K和267 GPa——第一個室溫超導體。

不過，Dias隨后就被打假，并以「黑歷史」而著名。

所以，這次韓國物理學家的結果，能被成功復現嗎？

參考資料：

https://arxiv.org/abs/2307.12008

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