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最新研究：室温超导，编辑：机器之心
21 世纪，超导的世纪。
「一觉醒来，室温超导『又』被突破了。」最近几天，物理学界又见证了一份室温超导研究的问世。
为什么说「又」呢？看看之前的新闻报道就知道了：宣称实现「室温超导」的研究一个接一个，连 Science 杂志都忍不住在 2020 年打出「终于，室温超导实现了」的标题。但后续结果总是令人失望，没有人能够成功复现作者宣称的结果，部分研究还被撤稿。这使得「实现室温超导」成了一个「狼来了」的故事。谁也不敢轻信别人宣称的结果。
不过这次，事情看上去有点不同寻常。这份研究来自韩国的一个团队。他们在 arXiv 上上传了两篇论文，宣称他们合成了一种常压下的室温超导材料，其超导临界温度超过了水的沸点，最高达到 127 摄氏度。
这种材料被命名为 LK 99，是一种铜掺杂的铅磷灰石，化学式写作
。
合成之后的样品长这个样子：
在论文中，作者给出了详细的合成步骤。
不少研究者表示，这些步骤并不复杂，很多实验室都可以尝试复现。
正是因为如此简单，这份研究才如此令人怀疑：真就是「好的食材，往往只需要最简单的烹饪方式」？
常温常压的条件，「手搓材料」的方式，让人们在惊愕、质疑之外又燃起了希望 —— 万一超导真就这么简单，难道不是个巨大的突破？至少急忙读完论文的业内人士纷纷表示，韩国团队叙述的方法详细认真，和目前的结果相互印证，复现起来是很快的。
从昨天起，有关常温常压室温超导材料的问题一直排在热榜第一名。
数万人插眼围观国内实验室复现过程
既然复现起来很简单。我们可以想到国内外很多团队已经在加班加点尝试复现实验结果了。
在知乎热搜第一上，有个回答当前已经引起了数万人的插眼围观。来自安徽的一个实验团队已经肝了十几个小时，正在努力复现结果。
几十分钟前他们更新了最新的进度。
结果大概三天左右出。或许很快，我们就能见证这次室温超导的含金量。
传送门：https://www.zhihu.com/question/613850973/answer/3136586869
室温超导：诺奖级研究、第四次工业革命的希望
室温超导的每一次研究突破都牵动着全世界科学家的神经，这是为什么呢？
首先，我们来看一下室温超导是什么。超导就是超级导电，其电阻为 0，电流流经超导体时不会产生热损耗。室温超导是在室温条件下实现的超导现象，室温超导体是在高于 0°C 的温度下有超导现象的材料。相较于其他超导体，室温超导体的条件是日常较容易达到的工作条件。
截至 2020 年，最高温的超导体是超高压的含碳硫化氢系统，压力 267 GPa，其临界温度为 +15°C。在一般大气压力下的最高温超导体是高温超导体铜氧化物，它在 138K（−135 °C）的温度下有超导现象。
实现室温超导的条件极其苛刻，目前的条件只能支持在极高压力或极低温度下实现超导态，更不用说其较高的成本和有限的应用场景了。
如果能够实现常压室温超导，有人表示，「这将成为人类有史以来最伟大的科技发现之一，也将会拿遍诺贝尔奖。」还有更多人表示，常压室温超导如能实现，将开启第四次工业革命，使二十一世纪成为超导时代。
那么对于人类社会和普通人来说，实现常压室温超导会产生哪些切身的影响呢？从下面几个示例可以窥见一二。
先拿最常见的与电有关的产品来说，超导电器没有了电阻，将彻底解决由电阻产生的损耗问题。超导计算机（电脑）不再需要考虑散热问题，变得更轻薄，运行速度也会极大提升；家庭用电量将大大降低；电动汽车将全面取代燃油汽车。
再看能源发电输电行业，原本很多烧油的设备（比如柴油机、汽油机）将改用超导电机，将彻底改变石油、化工、航空航天、冶金等众多行业。同时超导材料做成的超导电线和超导变压器可以几乎无损耗地输送电力，缺电问题将成为历史。
还有磁悬浮，超导材料的出现可以制作高速超导磁悬浮列车，磁悬浮轨道交通将大面积建设。
还有更科幻的，可控核聚变技术将有望实现。《三体》中的场景将成为现实，人类驶向宇宙，人类历史将重写。
韩国的研究团队做了什么
阅读凝聚态物理方向的论文对于大部分人来说都存在不可逾越的门槛，不过，B 站科普区知名 up 主「来自星星的何教授」简单向大家解释了一下。我们看看他是怎么说的。
视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1Dx4y197tX/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click
首先，我们知道，新合成的超导材料化学式为
。
这是一种铜掺杂的铅磷灰石，其中铜掺杂的比例 x 大概在 0. 9- 1. 1 之间。作者在论文中详细介绍了这种材料的合成步骤。
第一步，通过化学反应合成黄铅矿。将氧化铅和硫酸铅粉末以各 50% 的比例在陶瓷坩埚中均匀混合。将混合粉末在有空气存在的环境下，在 725 摄氏度的炉子中加热 24 小时。在加热过程中，混合物发生化学反应，产生黄铅矿。
第二步，合成磷化亚铜晶体。将铜和磷粉末按照比例在坩埚中混合。将混合粉末密封在每克 20 厘米的晶闸管中，真空度为 10 的 - 3 次方托。将含有混合粉末的密封管在 550 摄氏度的炉子中加热 48 小时，在此过程中，混合物发生反应并形成磷化亚铜晶体。
第三步，将黄铅矿和磷化亚铜晶体研磨成粉末，并在坩埚中混合，然后密封入晶闸管中，真空度为 10 的 - 3 次方托。将装有混合粉末的密封管在 925 摄氏度的炉子中加热 5- 20 小时。在此过程中，混合物发生反应并转化为最终材料。其中，硫酸铅中的硫元素在反应过程中蒸发了。
文章给出了第三步过程中的照片：e 是反应前的混合粉末， f 是反应后还密封着的样品，g 是样品取出时的样子，h 和 i 是得到的样品的照片。
按照同样的方法，作者合成了好几份样品，不同样品的铜掺杂参数 x 应该略有差异。
然后，作者对合成材料的晶体结构进行了分析，发现合成的样品是一种多晶材料，具有六方结构，属于六方晶系。
从晶体上方（c 轴）看到的样子。
从晶体侧面（垂直于 C 轴）看到的样子。
进入超导态以后，样品形成一维的超导链（沿着 c 轴方向）。
作者发现，原始的铅磷灰石是一种绝缘体，而铜掺杂的铅磷灰石在临界温度以下是一种超导体，在临界温度以上是一种金属。
他们在 30 毫安的电流下，采用四探针法对样品 2 进行了电阻测量，结果发现，在 105 摄氏度左右，电阻有一个明显的跳变，他们认为此时发生了超导转变。
不过，电阻并不是直接跳变到 0，而是先跳变到一个比较小的值。进入更低的温度以后，大约在 60 摄氏度以下，电阻几乎为零。「来自星星的何教授」解释说，实际上，超导体在进入超导态以后，电阻并不一定严格为零。这是因为在有限温度的时候，并不是所有的电子都参与了库珀配对，未配对的电子仍然可以对电阻产生贡献，尤其是在接近临界温度的区域。论文作者根据电阻测量结果得出结论，该超导体是一个 s 波超导体（详细解释参见「来自星星的何教授」科普视频）。
超导的另一个证据是抗磁性（在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，完全抗磁性又称迈斯纳效应）。作者对样品 2 和样品 3 的磁化率随温度的变化进行了测量，二者展示出了抗磁性。如图所示，样品 4 在磁铁上方出现了悬浮现象。
作者还对临界电流和临界磁场进行了测量，其结果与超导的图像是符合的。样品的临界温度与铜掺杂的比例 x 是相关的。
在他们合成的样品中，临界温度最高可以达到 400 开尔文，也就是 127 摄氏度。作者还利用超导的 Brinkman-Rice-BCS 理论进行了理论解释，认为临界温度如此之高的原因有两点：一是由于铜掺杂形成了一维或准一维的金属，二是电子之间存在强关联。
「来自星星的何教授」表示，他个人感觉论文的工作比较全面，样品的合成方法介绍比较详细，该做的测量都做了，数据比较全面，针对超导的两个证据也都给出了实验证据。由于不需要高压环境，这个实验在难度上比之前的实验难度小了很多。别的课题组应该能很快跟进验证这个结果。
两篇论文链接如下：
论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.12008
论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.12037
研究团队（三人版本论文）中的 Sukbae Lee 和 Ji-Hoon Kim 来自一家叫做量子能源研究中心（Quantum Energy Research Centre）的公司，其中一作 Sukbae Lee 为公司 CEO 兼研究员，长期从事高温超导方向的物理研究；二作 Ji-Hoon Kim 为公司研究员，主要负责样品合成工作；三作 Young-Wan Kwon 是高丽大学教授，专注于凝聚态物理、先进材料等领域的研究。
让子弹再飞一会儿
对于这项韩国团队的研究，很多人都感觉「too good to be true」。在复现结果出来之前，我们有必要持怀疑态度。这条路何其漫长，从 20 世纪初便开始了。
1911 年，荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 在一条汞丝中首次发现了超导性，该汞丝被冷却至 4.2K（-269°C）。
1957 年，物理学家 John Bardeen、Leon Cooper 和 Robert Schrieffer 从理论角度解释了这一现象：他们提出的「BCS 理论」表明，通过超导体压缩的电子会暂时使材料的结构变形，从而在没有电阻的情况下调换另一电子。
1986 年，物理学家发现，在不同的材料中，氧化铜陶瓷的超导性存在于更高的临界温度，即 Tc=30K（约 - 243°C）。
1994 年，研究人员将压力下汞基氧化铜的 Tc 提升至 164K（约 - 109°C）。电子仍会在铜氧化物超导体中配对，但是其如何实现超导仍属未知。
到了 21 世纪，同样很多研究人员不遗余力地在该领域深耕，一次次宣称搞出了「有模有样」的成果。其中罗切斯特大学物理学家 Ranga Dias 是代表性人物。
Ranga Dias
2020 年，Dias 团队发表 Nature 封面文章，宣称在 267 GPa、287K（约 15 度）的条件下实现了碳 - 硫 - 氢（CSH）体系的超导性，成为人类首次实现高压室温超导。
遗憾的是，在 2022 年 9 月，Nature 杂志宣布撤回了这篇论文。不过，这也没让他放弃，继而在今年 3 月又整出了一个引爆物理圈的大新闻。
在拉斯维加斯举行的美国物理学会三月年度会议上，Ranga Dias 再次宣布发明了一种在室温和接近常压的环境下工作的超导体 —— 一种由氢、氮和稀土金属镥组成的固体化合物，成功地在 21°C（294K）和大约 1GPa 的压力下无电阻地传导电流。该研究同样登上了 Nature。
同样，这个 21°C 室温超导仍然遭到了质疑，毕竟 Ranga Dias 有「前科」在身。之后很多科研机构展开复现尝试，比如多个中国团队发布了针对镥化氢化合物的重复实现，出现了不同结果。不过，不像前作一样，Nature 尚未对 Ranga Dias 的这篇论文撤稿。
在此前出现的学术欺诈，多少代前辈尝试失败的背景下，我们仍然对这一次充满期待。正如《Science》对此第一时间的报道中 Derek Lowe 所说的：「我真的非常希望它如所声称的那样 —— 这应该是不言而喻的。在我们得知最终确认或证伪的消息之前，我的心情将会相当紧张！因为这确实将是一个改变世界的发现，并且显然会立即获得诺贝尔奖。」
一句话：我们太希望它是真的了。
如果有一种材料可以实现常温常压下的超导，并且获取相对容易，它的出现或许会是新一轮工业革命的开始。它的应用包括但不限于：磁场的大规模应用、无接触式物质操控（如核聚变的控制）、无能耗电流传输、超长距离通信、新能源形式等等，基本上所有依靠电力运行的东西都会受到影响，或许会出现一些科幻小说里才会出现的东西。
但和往常一样，仅仅证明室温超导可以存在就已经是一个巨大的进步。
该团队（6 人版本论文）成员之一 Hyun-Tak Kim 在昨天接受 NewScientist 采访时表示：支持任何人复现他们团队的结果。
最后，有关韩国研究团队为什么连续放出两篇论文（其中一篇只有三位作者署名），存在一个有趣的解读：因为诺贝尔奖单项最多同时颁发给三位科学家。
已经想到了荣誉应该如何分配？可见对于室温超导，这个团队是多么有信心。
参考内容：
https://www.science.org/content/blog-post/breaking-superconductor-news
https://www.newscientist.com/article/2384782-room-temperature-superconductor-breakthrough-met-with-scepticism/
