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韓國室溫超導研究,究竟靠不靠譜?

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韓國室溫超導研究,韓國究竟靠不靠譜? 2023年08月04日 14:29 中國新聞周刊 縮小字體 放大字體 收藏 微博 微信 分享 0 騰訊QQ QQ空間

  超導本是室溫一個小眾科學領域,但過去一段時間以來,超導卻引發高度關注。研究

  7月22日,究竟韓國量子能源研究所研究團隊在預印本平臺arXiv上接連發布兩篇論文,靠不靠譜聲稱在常壓條件下,韓國一種改性的室溫鉛磷灰石材料能夠在400K(127℃)以下表現為超導體。這種材料以兩名論文作者名字的超導首字母命名為LK-99。

  從7月22日至今,研究國內外多家機構陸續復現LK-99,究竟室溫超導成為社交媒體和資本市場的靠不靠譜熱門議題,在視頻網站嗶哩嗶哩,韓國LK-99材料的室溫復現視頻達到幾百萬的播放量?!笆覝爻瑢А苯?4天的超導百度搜索指數,從一兩百達到了萬數量級,環比增長10077%。8月1日,美國超導股票AMSC盤前跳漲71%,最高漲幅150%,

  8月2日,韓國超導學會宣布成立“LK-99 驗證委員會”,將驗證該成果的真實性。當地時間3日,“LK-99驗證委員會”表示,由于與“LK-99”相關的影像和論文中沒有呈現精確的邁斯納效應,目前的證據仍不足以證明LK-99是室溫超導體。邁斯納效應是超導體從一般狀態相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象,該效應被視作超導實現的重要特征。

韓國量子能源研究所研究團隊合成的LK-99的懸浮現象。圖/韓國量子能源研究所研究團隊發布視頻截圖韓國量子能源研究所研究團隊合成的LK-99的懸浮現象。圖/韓國量子能源研究所研究團隊發布視頻截圖

  沸沸揚揚的韓國室溫超導研究,何時能最終塵埃落定?室溫超導材料可能開啟的“第四次工業革命”,又是否會很快來臨?

  復現和質疑

  室溫超導體被視為現代物理學“圣杯”之一。對LK-99的關注,也在于“室溫超導體”的巨大誘惑。

  通常,電流穿過電線時會遇到阻力,一些能量會以熱量形式損失掉??茖W家發現,對金屬導體而言,當電流通過時,溫度越高電阻越大。自然而然,人們開始思考,如果溫度能達到絕對零度,是不是電流電阻會變成零。

  上世紀初,最后一個沒被液化的氣體——氦氣成功液化,可用于制冷。1911年,荷蘭物理學家??恕ぐ簝人沟热嗽谘芯恐邪l現,當溫度降到4.2K以下時,金屬汞(Hg)的電阻突然降為零。K是“開爾文”的簡稱,是熱力學溫標或稱為絕對溫標,每變化1K相當于變化1℃,但開爾文以絕對零度作為計算起點,-273.15 ℃等于0 K。汞成為了科學家發現的第一個超導體,其超導轉變溫度為4.2K。

  學界將超導轉變溫度高于77 K(-196.15°C)的超導材料稱為高溫超導體,室溫超導體又稱常溫超導體,是在室溫中表現出超導性的材料,一般認為,室溫大約在298K(25°C左右)。1911年到2018年,科學家成功將超導轉變溫度從30K提高到了250K。不過,根據德國科學家團隊的研究,250K的超導轉變溫度仍需要170GPa的壓強來實現,這一壓強是常壓的170萬倍。此次韓國團隊展示的LK-99則稱在常壓、400K的溫度呈現超導性,如果被證實,無疑具有革命性。

  超導材料幾乎在所有電和磁相關的領域都有巨大應用價值。超導最直接的應用就在于電能傳輸,超導材料意味著電能傳輸過程中不會有能量損失。此外,因為磁感應強度與電流強度正相關,如果利用電流量很大的超導體做線材,能獲得強大的外部磁場。比如,醫院用于核磁共振成像的醫療設備,采用了超導體以獲得強大磁性,高速磁懸浮列車也要借助超導材料。

  韓國量子能源研究所研究團隊發表的第二篇論文中,給出了制備LK-99的合成步驟:“第一步,通過化學反應合成黃鉛礦……第二步,合成磷化亞銅晶體……第三步,將黃鉛礦和磷化亞銅晶體研磨成粉末,并在坩堝中混合,然后密封入晶閘管中……將裝有混合粉末的密封管在925°C的爐子中加熱5~20小時。在此過程中,混合物發生反應,并轉化為最終材料?!毕啾扔谥俺瑢Р牧现苽溥^程中對壓力和設備的要求,韓國團隊的合成過程簡單的令人驚訝。

  要證明某一材料存在超導性質,其必須滿足兩個條件:零電阻和完全抗磁性,即邁斯納效應。韓國量子能源研究所發布論文后,全球已有多個研究團隊正在復現LK-99的合成,并驗證其超導特性。北京航空航天大學材料科學與工程學院研究論文發現,合成的LK-99電阻不為零,也沒有發生磁懸浮。印度國家物理實驗室也發文稱,在實驗中未觀察到懸浮或抗磁性,并認為可能是因為材料中銅的摻雜。

  8月剛剛過去4天,每天都有新的LK-99復現進展。8月1日,一位B站用戶發布了合成并驗證室溫超導材料LK-99的視頻,華中科技大學材料科學與工程學院教授常海欣向媒體確認,視頻確實出自所屬團隊。但由于該團隊尚未檢測其電阻特性,因此還不能做為成功復現的證據。

  8月2日,曲阜師范大學一團隊表示已經利用四引線法對此前合成的抗磁樣品 LK-99 進行了初步的電阻測試,發現該樣品在常溫到 50K (-223.16℃)的低溫范圍內仍存在較大電阻值,與“室溫超導”的零電阻特性相差甚遠。

  8月3日凌晨,東南大學物理學教授孫悅在B站發表的視頻中表示,團隊在110K(-163°C)溫度以下常壓條件下,成功觀測到LK-99的零電阻。不過,孫悅在評論區強調,目前結果并不能證實LK-99就是室溫超導,具體還需要進一步探索和測量。

  此外,一些物理學家試圖從理論層面對 LK-99 可能具有的超導特性進行解釋。中國科學院金屬研究所和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的兩篇預印本文章進行了理論計算,他們發現LK-99有室溫超導的可能性或具備一些超導特征。

  韓國“LK-99 驗證委員會”驗證委員會委員長由首爾大學教授金昌永擔任,成員來自首爾大學、成均館大學、浦項工大等。截至目前,韓國成均館大學、高麗大學、首爾大學等相關研究機構仍在進行重現 LK-99 的實驗。一位不愿具名的超導專家對《中國新聞周刊》表示,現在韓國的室溫超導還沒有被驗證,沒有到達值得歡呼的時間節點。

  害怕熱點的科學家

  與社交媒體的熱烈討論相反,不少研究超導的科學家對此較為冷靜,甚至有意回避室溫超導日益增加的熱度。

  8月2日,北京高壓科學研究中心主任毛河光教授接受媒體采訪時表示,“如果超導這么容易做,那我們以后不要去找專家去做這個事了,就讓大家土法煉鋼去。結果一定是,你會比專家多花很多功夫,而成功的概率幾乎是零”。毛河光的觀點在社交媒體上受到很多批評,有網友評價為“科學家的自大”。

  多位超導領域內的專家認為,目前室溫超導被過分關注,甚至有一些炒作行為。他們認為,關于超導,有可能被公眾誤讀。前述不愿具名的專家對《中國新聞周刊》表達了一種擔憂:“別以后提到超導研究,就認為研究者是一群騙子”。他認為這會傷害本來搞科研的人。

  談到業界有代表性的科學解釋,多位專家提及南京大學超導材料和物理研究中心主任聞?;⒌姆治?。7月28日,聞?;⒔邮懿稍L時表示,韓國團隊視頻和論文中提到的電阻、磁化、磁懸浮三個證據都不足以成立。這與8月3日“LK-99 驗證委員會”的結論相近。聞?;⒌呐袛嗍窃谖唇佑|韓國研究團隊LK-99樣品的情況下進行的。

  時隔一周,在國內外各個實驗室陸續復現后,聞?;⒃诮邮堋吨袊侣勚芸凡稍L時表示,根據判定超導的依據,目前的復現實驗,都不足以證明LK-99是室溫超導材料,其中實驗的現象都可以用其他理論解釋。

  對于理論計算的支持,聞?;⒄J為,超導材料領域中理論模型只是提供一種解釋,還是要以實踐為主。他表示仿真中的參數和軟件有不確定性,理論仿真不能作為可靠的驗證手段。

  其實,有關室溫超導的呼聲,每年都會出現幾次。中國科學院物理研究所研究員羅會遷在《超導 “小時代”》一書總結了這些 “室溫超導體” 研究的共性:“很難經得住推敲和考證,它們很難被重復實驗來驗證——有的根本沒有公布成分結構或者制備方法,有的實驗現象極有可能是假象,有的實驗數據極有可能不可靠?!?/p>

  聞?;⒈硎?,韓國室溫超導材料是他印象中關于超導最廣泛的社會討論。他回憶,此前大多數超導論文成果,并不會引起公眾的討論,科學家通過數據和圖像可以判斷大多數超導論文的可靠程度,“大多數時候一笑了之”。這次韓國的研究引起的關注,他認為和論文結果更加有隱秘性有關。

  他介紹,對于超導的兩個判據,有理解程度準確性的差異。例如,電阻下降中有些地方看到電阻箱顯示為0,但是這個尺度可能需要放大到1萬倍才能明確。一個人如果停留在對超導認識層面的話,就會認為韓國團隊的論文很合理,實際上,還需要科學經驗的判斷。

  艱難的證偽

  “證偽比證實困難”,聞?;⒄J為,證偽需要更精細、更有邏輯、更有說服力,才能被評審接受。

  3月15日,距離美國羅切斯特大學教授朗加·迪亞斯在美國物理學會年會上宣布發現高壓室溫超導材料并公布數據僅8天,聞?;ьI的團隊就公布重復實驗結果,推翻了迪亞斯等人的室溫超導研究結果,引發轟動。

  聞?;⒔淌趫F隊的前述研究結果5月11日在線發表在《自然》雜志上:他們制備的氮摻雜的镥氫化物(又稱镥-氫-氮化合物)沒有表現出近常壓室溫超導性。

  當時,僅用短短8天驗證結果,聞?;⒄J為是巧合加上積累,他的實驗室合成原料和條件都具備,合成路線又成功了,所以能很快制備出材料。聞?;⒃诘谝谎劭吹降蟻喫沟恼撐臅r,覺得“數據看起來非常讓人震驚和漂亮”,但是后來發現了原始數據和分析過程數據中的問題。

  與迪亞斯的論文不同,聞?;⒃趧偪吹絃K-99論文和視頻的時候,就認為這大概率不是室溫超導材料。首先視頻里的小“超導體”有跌落到磁體表面的過程,這是超導體不可能有的。其次,電阻測得也不好,從數據上看不出零電阻,論文里也沒有判斷超導的標準磁化曲線,這都讓聞?;⒌膽岩煞浅4?。經過幾天的驗證,國內外的團隊都沒有觀測到符合判斷超導體條件的實驗現象。

  對于韓國量子能源研究所團隊,聞?;⒁灿凶约旱呐袛?。他介紹說,該團隊中的成員不是超導領域中非常職業化的研究人員。他們的論文中,關于電阻測量、磁化測量和磁懸浮現象的證明程度不足,或說明他們對超導的基本認識有一些欠缺。

  聞?;⒄J為,韓國量子能源研究所具備基本的科研條件以及測量磁性的設備,但是該團隊在電測量的時候運用的“四探針法”,通常是在測量零點幾毫米的小樣品的時候使用,大樣品通常采用穩定性更好的固定電極法,韓國團隊電測量的方法顯得不夠專業。

  對于LK-99材料,聞?;⒄J為LK-99的路線還在主流研究框架內,很難有開創性的解釋。聞?;⒔榻B說,LK-99如果被證明不是室溫超導體,談不上對超導學界有什么影響。LK-99作為一種材料電阻雖不是零,但仍屬于電阻較小的材料,其具有較小電阻率的原因尚不清楚。

  聞?;⒎Q,LK-99目前測的數據,比銅的電阻率還是要大幾倍到10倍,加上價格和延展性等因素,這意味著其應用價值不大。對于LK-99作為一種抗磁材料的意義,聞?;⒄J為,目前LK-99表現出的抗磁性談不上優秀,而抗磁材料距離工業上的大規模應用還有一定距離。

  其實,在超導領域,跨越式、偶然的材料發現比較常見。例如1986年,中國科學院物理研究所趙忠賢等人發現鍶鑭銅氧化物超導體,就是在開國際會議中受到會場海報的啟發,獲得靈感。但是聞?;⒄J為,這也并非純粹的偶然,超導材料的發現還是依賴于專業的積累和平時的思考,需要有很深的造詣。

  聞?;⒌膱F隊7月25日開始進行LK-99的復現合成。8月3日,聞?;F隊完成了制備和檢測,進行進一步測量。他介紹,如果沒有獲得樣品,還要證偽的話,首先要保證制備的材料與LK-99的晶體結構盡可能相同,然后測量電阻突降的過程。由于室溫超導材料在低溫條件下一定是超導,如果在2K的條件下材料還有電阻,就不能說它是室溫超導材料。再加上麥斯納效應判斷,兩者加起來就可以敲定是否為超導材料。

  在得出完備證據前,聞?;⒄J為還是不能完全排除LK-99是室溫超導的可能,“如果材料制備非常干凈也可能會發生奇跡”。由于聞?;F隊目前制備出的材料不太規則,測量效果不理想,團隊還在進一步制備材料進行測量。

  聞?;⒄J為,如果“LK-99驗證委員會”得到最初的LK-99材料,是很快可以得出結論的。驗證委員會一旦能夠接觸樣品,只需測量其磁化率和電阻,看看LK-99是否具備超導體的完全抗磁性和零電阻,很快能真相大白。

  作者:孫厚銘

   

點擊進入專題: 韓國科學家稱造出首個室溫超導

責任編輯:劉德賓

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