韓國團隊室溫超導開啟人類新紀元？3小時內提交兩篇論文，樣品被指有瑕疵
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發布 : 07-28
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美國羅切斯特大學Ranga Dias團隊的室溫超導研究疑云尚未消散，韓國量子能源研究中心（Q-centre ）、高麗大學等團隊的研究人員再次投下一記“尚未經同行評議”的重磅。研究團隊宣布成功合成了世界上第一個室溫常壓超導體，即在常壓條件下，一種改性的鉛-磷灰石(命名為LK-99)能夠在127℃(Tc≥400k)以下表現為超導體。鑒于室溫超導研究的挑戰性和重要性，此類“重磅”每次都掀起廣泛關注和討論。研究團隊自己對該研究評價稱，“我們相信，我們的新進展將是開啟人類新紀元的全新歷史事件”。然而，正如此前Dias團隊的研究，此次韓國團隊的研究也將經受“時間的考驗”。讓事件更為撲朔迷離的是，上述新研究實際上關聯到兩篇論文。從時間線上來看，第一篇提交于7月22日7時51分，第二篇則于7月22日10時11分提交，兩篇提交時間相差不足2.5小時的論文均發表在預印本系統arXiv，尚未經同行評議。兩篇文章作者人數不同，但有兩位重合。就論文本身內容來看，第二篇更為詳盡。其中上述第二篇論文的作者之一、美國威廉與瑪麗學院的物理學教授Hyun-Tak Kim在接受采訪時則直接表示，第一篇論文里存在“許多缺陷”，并且未經他的允許就被上傳了。百年過去，超導何時“接地氣”100多年前，荷蘭物理學家昂內斯（Kamerlingh Onnes）為人類打開了超導這扇大門。1911年，昂內斯在研究中發現，當溫度降到4.2K以下時，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零，而這并不是任何實驗上的紕漏導致的。自此，汞成為了科學家發現的第一個超導體，其超導Tc為4.2K。所謂的超導Tc即超導轉變溫度，也就是超導體由正常態進入超導態的溫度。荷蘭物理學家昂內斯 視覺中國 資料圖總體而言，零電阻是超導體的基本特征之一，此外一個重要的基本特征則是邁斯納效應。繼昂內斯上述發現20余年后，邁斯納在研究測量中發現，材料處于超導態時，其內部磁場為零，展現出完全抗磁性，這也就被稱為邁斯納效應。超導現象的發現被認為是20世紀最偉大的發明之一。然而，發展至今，超導體的實際應用基本局限于磁懸浮等少數特定場景下。此次韓國研究團隊也提到，自昂內斯發現超導性以來，科學家們一直在尋找室溫超導體。原因不難理解，維持材料超導性的極低超導Tc，這對大規模的應用開發來說是一道極大的障礙。科學家們在這條改進突破的路上已有過一些重大成果。上世紀80年代，銅基超導體的發現將超導Tc帶到了超過40K；進入21世紀之后，日本、中國等科學家在鐵基超導體上實現了超導Tc的進一步提升。韓國團隊同樣在論文中援引了Dias團隊目前尚處于爭議中的研究，他們提出的由氫、氮、镥三種元素組成超導體，在大約10kbar（也就是1GPa，約相當于1萬個大氣壓）下可實現約294K（21℃）的室溫超導電性。國際高溫超導研究領域的先驅者、著名物理學家朱經武今年3月在接受媒體采訪時曾表示，過去，我們以為達到液氮溫度77K（-196度）以上就可以應用了，但是在制備材料時，發現有困難，成本太貴了。后來，克服了溫度，把溫度達到室溫后，發現要加很高的壓力，這又產生了問題。可以說，過去的100多年時間里，超導領域始終處于不斷探索的途中。一條道路指向超導Tc，使其無限接近便于實際應用的室溫；另一條道路則在于持續深入地挖掘超導背后的機理。韓國版室溫常壓超導體，真突破還是“狼來了”和3個多月前Dias團隊的成果相比，韓國團隊的超導體讓人“更難以置信”。不僅解決了溫度問題，他們的LK-99甚至不需要“高壓助手”。而127℃的Tc，不僅僅是數字上比以往研究進一步大幅提高，更重要的是意味著其可應用的溫度區間大大拓寬。LK-99如何獲得？上述更為詳細的第二篇論文顯示，研究團隊使用固相法合成了LK-99，合成原料為氧化鉛（PbO）、硫酸鉛（PbSO4）、銅（Cu）和鉛（P）。目前業內普遍認為，LK-99的制備過程似乎相當簡單。樣品合成過程具體包括三個步驟：第一步，將氧化鉛和硫酸鉛粉末在陶瓷坩堝中以各50%的比例均勻混合，混合粉末在725℃的爐中加熱24小時發生化學反應。第二步，將銅和鉛粉末按比例在坩堝中混合，合成磷化亞銅，讓混合后的粉末處于相應的真空封管狀態下，然后置于爐內550℃加熱48小時。在此過程中，混合材料發生相變，形成磷化亞銅晶體。第三步，將上述兩步所得物質磨成粉末，并在坩堝中混合，再將混合粉末真空封管，在925℃的爐內加熱5至20小時。摘自論文研究團隊稱，在此過程中，混合粉末反應轉化為最終材料，一種灰黑色的銅摻雜的鉛-磷灰石，這種多晶材料也就是他們命名的LK-99。他們總結稱，LK-99的超導性已經通過超導臨界溫度Tc、零電阻率、臨界電流(Ic)、臨界磁場(Hc)和邁斯納效應得到了證明。研究團隊提出，LK-99結構與鉛-磷灰石非常相似，但由于晶格中出現了鉛被銅取代的現象，相關晶胞（反映晶體周期性和對稱性的最小重復單元）參數顯示LK-99與原始鉛-磷灰石相比有輕微的收縮，縮小率為0.48%。銅離子取代引起的應力傳遞到圓柱體列的鉛，導致界面發生扭曲，從而形成超導量子阱。研究團隊認為，正是這種結構的影響，導致了這種新材料非凡的超導性，而非溫度和壓力等外部因素。第一篇論文的作者們寫道，到目前為止，超導性與材料結構變化之間的關系還沒有得到很好的闡明。事實上，目前發現的影響超導體超導性產生的兩個主要因素是溫度和壓力。但溫度和壓強都會影響材料的體積，似乎在低溫或高壓下體積減小所產生的應力會引起微小的應變或變形。研究團隊稱，雖然很難觀察到超導材料微小結構的變化，但這種結構變化似乎帶來了它的超導性。值得一提的是，研究團隊還專門上傳了一段視頻，以證明LK-99在磁鐵上懸浮的情況，這也就是邁斯納效應。不過，這塊扁平的、像硬幣一樣的材料的懸浮情況并不是十分完美，仍有一邊似乎接觸磁鐵。就該情況，Hyun-Tak Kim稱，這表示樣品并不完美，只有一部分成為超導體并表現出邁斯納效應。研究團隊上傳的視頻 。(00:03)盡管Hyun-Tak Kim目前的態度透露著該項研究背后作者們的“想法各異”，但他對外界的質疑表示接受，認為其他研究人員應該嘗試復制他們團隊的工作來解決目前的疑問。與此同時，Hyun-Tak Kim還表示其和其他同事們將繼續完善目前的工作，并向大規模生產邁進。另外值得關注的是，這次的“子彈”或許不用飛太久。按照目前領域內的說法，鑒于上述新材料制備簡單，或許已有大批重復工作已在路上。
