“超導”的前世今生

近來，韓國一研究團隊在著名的預(yù)印本網(wǎng)站arXiv 上發(fā)文宣稱：發(fā)現(xiàn)了全球首個室溫超導材料 ——“改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（LK-99）”。

一石激起千層浪，剎那間全球懂“超導”和不懂“超導”的人們，齊刷刷地將目光聚焦這個韓國研究團隊的文章。由于，這個韓國團隊對自己的論文足夠自信，也想向世人證明自己的實驗的可信度，在論文詳盡地描述了實驗過程，使得全世界的凝聚態(tài)物理學家們，紛紛摩拳擦掌，誓要“復(fù)現(xiàn)”或“證偽”該“超導”現(xiàn)象。

那么，問題來了，何為“超導”？

超導（Superconductivity）是某些材料在非常低的溫度下，電阻突然消失，電流可以無損耗地無限期流動的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象最早在1911年由荷蘭物理學家?？恕た┝帧W涅斯發(fā)現(xiàn)。

他發(fā)現(xiàn)，當他將汞冷卻到接近絕對零度（-273.15°C，或零度開爾文）的溫度時，電阻突然消失了。這是一個驚人的結(jié)果，因為在這之前，物理學家普遍認為，無論溫度多低，導體的電阻總是有一個固定的非零值。

奧涅斯和他的團隊在低溫物理學的研究中已經(jīng)取得了許多重要成果，包括液氦的制備。超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使他在1913年獲得了諾貝爾物理學獎。這個發(fā)現(xiàn)開啟了超導科學的新篇章，這個領(lǐng)域的研究者在之后的一個世紀里一直在探索超導性質(zhì)的深層秘密，包括其產(chǎn)生的原因、可以顯示超導性的材料類型等。

超導有兩個主要特征

1.零電阻：在轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢顟B(tài)時，超導材料的電阻會突然下降到零，這意味著電流可以在沒有任何能量損失的情況下流過超導材料。這一特性在需要大量傳輸電流的應(yīng)用中非常有價值，例如在電力傳輸和大型粒子加速器中。

2.邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）：這是超導材料在超導狀態(tài)下的另一個關(guān)鍵特性，即完全排斥磁場的能力。當超導材料被冷卻到超導溫度以下時，它會排斥其內(nèi)部的所有磁場。這種效應(yīng)可以使超導材料“懸浮”在磁場之上，這一現(xiàn)象在高速列車和其他磁懸浮應(yīng)用中具有重要的應(yīng)用。

接下來，了解一下超導材料發(fā)現(xiàn)的幾個重要階段。迄今為止，全世界的物理學家對超導的研究一直是方興未艾，盡管還沒有實現(xiàn)室溫室壓下超導材料，但已有十人因它獲得了五次諾貝爾物理學獎。

• 1911年：?？恕た妨帧W涅斯首次在汞中發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象，這標志著超導物理學的誕生。他在實驗室制造出了比任何人都要低的溫度，并且在這個過程中，發(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象：當汞被冷卻到4.2K（即接近絕對零度）時，其電阻突然完全消失。奧涅斯憑借在低溫物理學方面的開創(chuàng)性工作，包括超導性的發(fā)現(xiàn)，贏得了1913年的諾貝爾物理學獎。

• 1933年：瓦爾特·邁斯納和羅伯特·奧森費爾德在實驗中發(fā)現(xiàn)了超導材料在其臨界溫度下完全排斥磁場的現(xiàn)象，即邁斯納效應(yīng)。這個發(fā)現(xiàn)提供了一個判斷材料是否處于超導狀態(tài)的實用標準，并且證明了超導現(xiàn)象不僅僅與零電阻有關(guān)，還涉及到電磁特性的變化。

• 1957年：巴丁、庫珀和朔利夫提出了BCS理論，這是第一個成功解釋超導現(xiàn)象的微觀理論。他們發(fā)現(xiàn)，在低溫下，接近零動量的電子對（庫珀對）可以通過與晶格中的聲子相互作用而形成，并以無阻力的方式在材料中傳播。這一發(fā)現(xiàn)對理解和發(fā)展超導科學產(chǎn)生了深遠影響，并使得三人在1972年共同獲得了諾貝爾物理學獎。

• 在1973年，兩位科學家分別在不同領(lǐng)域中獨立發(fā)現(xiàn)了“隧道效應(yīng)”：江崎玲於奈（Leo Esaki）是日本的物理學家，在1958年的研究中首次預(yù)言了隧道效應(yīng)。然而，他在1973年并未獲得諾貝爾獎項，而是在1973年獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他對新型半導體器件——隧道二極管（Tunnel Diode）的發(fā)明和研究。賈埃弗（Ivar Giaever）是美國的物理學家，他在1973年獲得諾貝爾物理學獎，是因為他在1960年代末和1970年代初的研究工作，成功證實了超導體中的隧道效應(yīng)。他的實驗證明了在超導體中，電子可以通過一個能隙（energy gap）而不是經(jīng)過常規(guī)的能級，從而產(chǎn)生隧道效應(yīng)。這對超導體物理學的發(fā)展有重要意義。

• 1986年：貝多爾和米勒在瑞士IBM的研究實驗室中，首次發(fā)現(xiàn)了高溫超導材料，這種材料在液氮溫度（-196°C）下就能表現(xiàn)出超導性，而不是需要在接近絕對零度的液氦溫度下。這種材料是一種銅氧層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷，被稱為鑭-鋇-銅氧（YBa2Cu3O7）。他們的這一發(fā)現(xiàn)開啟了超導材料的新領(lǐng)域，因此他們在1987年獲得了諾貝爾物理學獎。

• 在1992年，三位科學家分別因在超導體和超流體領(lǐng)域做出開創(chuàng)性貢獻而獲得了諾貝爾物理學獎：阿列克賽·阿布里科索夫（Alexei A. Abrikosov）：他是俄羅斯和美國雙國籍的物理學家。他在理論物理學領(lǐng)域中做出了重要的貢獻，特別是在超導體方面。他提出了一個理論模型，被稱為"阿布里科索夫三重態(tài)"，用于描述超導體中的磁通線如何穿過超導材料。這項研究對于解釋超導體的性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。維塔利·金茨堡（Vitaly L. Ginzburg）：他是俄羅斯的物理學家。他在理論物理學和天體物理學方面做出了杰出的貢獻。在超導體領(lǐng)域，他與謝爾蓋·米克希爾（Sergei Mikheev）一起提出了著名的Ginzburg-Landau理論，用于解釋超導體的臨界現(xiàn)象和超導體的相變行為。安東尼·萊格特（Anthony J. Leggett）：他是英國和美國雙國籍的物理學家。他的研究涉及凝聚態(tài)物理學和量子力學，特別是與超流體和超導體相關(guān)的問題。他在理論上解釋了超流體中的超流性質(zhì)，提出了一種解釋低溫下物質(zhì)的量子性質(zhì)的理論模型。

接下來，讓我們一起來探秘一下，中國人對“超導”領(lǐng)域的貢獻：

• 1987年，我國著名科學家趙忠賢院士團隊首次在釔鋇銅氧（Ba-Y-Cu-O）中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為93k（-180°C）的超導轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)高溫超導體領(lǐng)域的重大突破。趙忠賢院士也因在這一領(lǐng)域的突出貢獻，榮獲國家最高科學技術(shù)獎。

• 2008年以來，以趙忠賢、陳仙輝、王楠林、聞?；?、方忠、靳常青、丁洪、任治安、陳根富等人為代表的中國研究團隊，相繼在鐵基、銅基等高溫超導上實現(xiàn)了突破，不斷提高超導溫度。

那么，近年來說到超導，不得不提以下幾個人：

2017年，曹原在攻讀麻省理工博士期間，他通過實驗發(fā)現(xiàn)石墨烯的排列結(jié)構(gòu)中具有非規(guī)超導電性的因子，據(jù)此推測出：當兩層石墨烯疊在一起發(fā)生輕微偏移的時候，材料的特性會發(fā)生劇變，并因此表現(xiàn)出超導體的性能。經(jīng)過六個多月的反復(fù)試驗后，曹原最終確立起石墨烯傳導的全方位理論。2018年3月5日，《自然》發(fā)表了兩篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文。曹原發(fā)現(xiàn)讓石墨烯實現(xiàn)零電阻導電的方法，開創(chuàng)了物理學全新的研究領(lǐng)域，能源利用率與能源運輸效率有望大幅提高。

在曹原之前，人們對于石墨(烯)是否具有“超導”效應(yīng)，一直是模棱兩可，無法肯定或否定。直到曹原的出現(xiàn)，一舉攻克了一個困擾學術(shù)界百年的難題。

同年，2018年12月，他獲得《自然》2018年度影響世界的十大科學人物之首。2020年5月6日，《自然》再次連發(fā)兩篇關(guān)于魔角石墨烯新進展的文章。其中一篇，曹原是第一作者兼共同通訊作者，另一篇是共同第一作者。文章主要介紹了魔角特性推廣到其他二維材料的研究。

在此之前，超導體研究的三大主流領(lǐng)域分別為銅氧超導體、鐵基超導體、硼化鎂超導體。石墨烯超導體的研究雖然很早便已開始，但是直到曹原這里才算是有了最大的突破?！澳Ы恰背瑢┑陌l(fā)現(xiàn)算是為超導體的研究開辟了新的領(lǐng)域。

2020年10月14日，美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias和他的同事在Nature雜志上發(fā)表了一篇轟動整個物理界的成果，并登上了當期封面。他們聲稱發(fā)現(xiàn)了一種新型氫化物，在15℃的溫度下可以觀察到超導現(xiàn)象?！斑@是人類首次實現(xiàn)室溫超導！”然而，這個具有里程碑意義的重磅研究在9月26日被Nature撤稿。對這篇文章長期以來的質(zhì)疑終于暫時落下了帷幕。

此次撤稿非同尋常，因為Nature的編輯們不顧這篇論文全部9位作者的極力反對，采取了這一行動，可以說是非常決絕。

就在撤稿當天，Science新聞欄目對該事件進行了報道，稱該研究“有嚴重問題”。

2023年3月8日，Ranga Dias教授研究組宣稱，發(fā)現(xiàn)了一種近室溫的超導材料，具體而言是一種Lu-N-H的三元化合物（Lu是71號元素镥，一種稀土金屬，镥-氮-氫這名字聽著很像“鹵蛋清”），在21攝氏度和一萬個大氣壓下就能實現(xiàn)電阻為零。然而，僅僅兩個月后的5月11日，《Nature》雜志發(fā)表了一篇反駁性的文章。該篇文章來自中國南京大學聞?；⒔淌谘芯拷M，他們聲稱已經(jīng)成功合成了與Dias研究團隊所得材料非常相似（或者說可能是完全相同）的物質(zhì)，但卻未觀察到超導現(xiàn)象的出現(xiàn)。值得一提的是，實際上，聞海虎等人的預(yù)印本在3月15日就已經(jīng)在arXiv上發(fā)布，這比Dias的研究報告只晚了一個星期。

北京時間 7 月 31 日凌晨，該團隊在預(yù)印本 arXiv上發(fā)表的《Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism》

文章作者之一、美國威廉瑪麗學院物理系研究教授 Hyun-Tak Kim 在回復(fù)《每日經(jīng)濟新聞》記者時表示，其團隊制造的 LK-99 室溫超導材料或許可以在一個月之內(nèi)被復(fù)制，其成員也會對任何制作 LK-99 遇到困難的人進行指導。“如果研究人員對我們的成果有疑問，他們就會質(zhì)疑我們的研究成果。因此，我選擇了公開 LK-99 的制作技術(shù)?！?/p>

緊接著，便出現(xiàn)了全球凝聚態(tài)物理學家，爭相合成LK-99材料的場景；更有理論物理學家從理論計算證明，該材料理論上是有室溫超導可能性的。內(nèi)容如下：

實驗驗證

華中科技大學材料學院的團隊復(fù)現(xiàn)取得了一些進展。其團隊成員 8 月 1 日在 B 站上發(fā)布的視頻顯示，當用一塊磁鐵從下方接近樣品材料，它會 “立起來”，展現(xiàn)出了與 LK-99（摻雜銅的鉛磷灰石）類似的抗磁性特征。

但這種特征并不能確定它是不是超導材料，只能證明“邁斯納效應(yīng)”的存在。視頻里也沒有呈現(xiàn)電阻測試的結(jié)果?！爸挥幸黄瑤资⒚状笮〉臉悠?，測電阻會破壞樣品，正在做新一批樣品。” 華中科技大學的研究者說。

理論證明?

8 月 1 日，美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究人員西尼德·格里芬（Sinéad M. Griffin）在arXiv上發(fā)布論文，聲稱用美國能源部的超算對 LK-99 材料模擬運算，認為它具備現(xiàn)實世界中室溫超導材料具備的性質(zhì)。

至此，“超導”的復(fù)現(xiàn)工作，仍在全球各大凝聚態(tài)物理實驗室中緊鑼密鼓地制備著、測量著，韓國這個研究到底是不是“超導”，目前來看，不得而知，無法確定……目前看來，只能看后續(xù)的一系列的跟進報道了。

可想而知的是，如果后續(xù)報道證明了“室溫室壓超導”材料LK-99的確存在，那么基本上預(yù)定了一次的諾貝爾物理學獎，而且會很快。畢竟，“室溫超導”被譽為物理界的“圣杯”。

后續(xù)如何，且看下回分解..