來自韓國的物理學家團隊，近日在預印本網站arXiv上傳了兩篇論文，宣稱發現了首個室溫常壓下的超導體。

論文聲稱：在常壓條件下，一種改性的鉛磷灰石（文中稱為LK-99）能夠在127℃以下表現為超導體。

論文一經公布，便在網絡上引發了熱烈討論。

arXiv上的論文截圖 圖片來源：參考資料[1]

看到這條新聞的你，一定會產生這樣的疑問：怎么又是室溫超導？怎么又吵翻天了？以及，為什么有種似曾相識的感覺？

太長不看版

超導是材料在一定溫度下電阻變為0的物理現象；

超導體的應用有望為科技帶來巨大變革，但苦于超導轉變溫度過低，應用受限；

室溫條件下的超導體是超導研究人員的終極夢想；

此次引爆輿論的韓國論文尚未通過同行評議，對于論文宣稱的結果需保持謹慎，還需進一步實驗驗證。

超導是什么？

物理上，超導（superconductivity）是材料在低于一定溫度時電阻變為0的現象，轉變后的材料稱為超導體（superconductor）。

中學課本里提到過，在一個電路中，導線里的電荷在電壓驅動下會像跑步運動員一樣運動，從而形成電流，但經過導體的電阻會阻礙它們的運動。

如果電路由超導體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。在一個超導鉛制成的環路中，可以連續幾個月都觀測不到電流有減弱的跡象。

超導現象由昂內斯在1911年發現 圖片來源：諾貝爾獎官網

除了電阻為0以外，超導體還有另一個奇特的性質，稱為完全抗磁性。材料轉變成超導體后，就好像武僧使出了金鐘罩，體內的磁場會“排斥”掉幾乎所有的磁通量，磁力線無法穿透超導體。

這個現象也被稱為邁斯納效應。

根據超導體的完全抗磁性，可以做個有趣的實驗：在超導體的正下方放置一個磁體，磁體在周圍產生磁場，而超導體的內部不允許磁場存在，從而產生相反磁場，與磁體互相排斥。

如果排斥力和超導體的重力相平衡，就能讓超導體懸浮在半空中，仿佛科幻小說中的場景。

后來物理學家總結，要看一個材料是不是超導體，就看它是否同時具有零電阻現象和完全抗磁性的特性，兩者缺一不可。

因為自身特殊的性質，超導體引發了人們對它未來應用的無限遐想。比如：

零電阻的電路幾乎沒有熱損耗，使用超導體材料進行長距離大容量輸電，能極大地減少能量浪費，提高能源利用效率；

超導線運用于發電機、電動機能大幅提高電流強度和輸出功率；

超導體制作超大規模集成電路的連線，能解決散熱問題，提高運算速度。

超導體的現實應用，有可能為科學技術帶來巨大而深刻的變革。

可惜，理想很豐滿，現實很骨感。直到目前為止，超導體的實際應用還主要集中在粒子加速器、磁懸浮、超導量子干涉儀等特定情境中。在電力工程方面，尤其是被寄予厚望的超導線長距離輸電，大范圍應用仍然遙遙無期。

是什么限制了超導體的大范圍應用？根本原因只有一個：溫度。

高溫超導體

材料轉變為超導體的溫度被稱為超導臨界溫度（Tc），低于這個Tc，超導體才能保持自身的超導性質。

然而，絕大多數材料的Tc都非常低，基本都在-220℃以下，需要借助液氮或液氦等維持低溫環境。

想象一下，辛辛苦苦建造一條幾百公里的超導輸電線，還需要全程浸泡在液氮中冷卻，成本得多么夸張！

所以為了讓超導體得到更廣泛的應用，必須要找到Tc更高、最好是室溫條件下（大約25℃左右）也能保持超導性質的材料。

從發現超導現象開始，物理學家對高Tc超導體的尋找從未停止，但一直舉步維艱。

在發現超導最開始的70多年內，Tc的上限連突破-240℃都很困難。還好后來物理學家陸續發現Tc超過-173℃的超導體，目前超導體最高臨界溫度的記錄保持者是150萬個大氣壓下的硫化氫，Tc大約是-73℃，離理想的室溫還是有一定距離，如此高壓的條件也意味著難以實際應用。

韓國的“室溫超導”

看到這，如果你還記得開頭的內容的話，就發現這個韓國團隊發表的論文有多么驚世駭俗了——他們宣稱發現了常壓下Tc大約是127℃的超導體，不僅把Tc帶到室溫，更是一下子直接提高了200度！

根據論文描述，他們把多種含鉛、銅和磷的材料經過一定組合后分別混合加熱，制備得到一種摻雜銅的鉛-磷灰石晶體，并且稱之為LK-99。

論文提供的LK-99的照片 圖片來源：參考資料[1]

然后，他們測量了LK-99的物理性質。

根據他們給出的實驗結果，在127℃以下，給LK-99施加電流，在一定的電流范圍內電壓都基本為零，表現出了零電阻的特性。

論文宣稱，溫度、電流和磁場達到一定臨界值后，零電阻現象也隨之消失，符合超導體的性質。

在達到臨界電流前，LK-99的電壓趨于零，表現出零電阻 圖片來源：參考資料[1]

除了零電阻以外，超導體的另外一個重要特性是完全抗磁性。

對此，團隊提供了實驗數據圖，還在網上發表了視頻演示。視頻中，在室溫常壓的環境下，一小片LK-99樣品放在一塊磁鐵上，一端貼近磁鐵，另一端自發抬升，仿佛受到了某種排斥力。

不過，視頻里的抬升并不像很多超導體的邁斯納效應那樣，完全懸浮在磁鐵上。事實上，部分強抗磁性的材料，比如鐵磁粉末壓塊，在強磁場下也會和磁體排斥，出現視頻中類似的抬升效果。

因此，單憑這段視頻，并不能證明LK-99擁有超導體那樣的完全抗磁性。

但論文團隊認為，他們的一系列實驗驗證了LK-99在室溫常壓下是超導體。

他們還作出了理論解釋，認為鉛磷灰石的部分鉛離子被銅離子替代后，體積微小地收縮導致材料結構變形，進而在內部的交界面上產生了超導量子阱，從而產生了超導現象。

論文嘗試從結構上解釋LK-99室溫超導的原理圖片來源：參考資料[2]

不過，LK-99的結構與之前發現的主流高溫超導體有顯著不同，他們給出的理論解釋暫時還只是一種猜測。

狼來了的故事

你會對室溫超導有“似曾相識”相識的感覺，可能是因為就在今年3月，曾經有另一個和室溫超導相關的“重磅炸彈”，在公眾之中掀起了不小的波瀾。

當時，在美國物理學會會議上，美國羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）及其團隊宣稱，他們在1GPa（約等于1萬個大氣壓）的壓強下，在镥-氮-氫體系中材料中實現了室溫（約21℃）超導。

羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯 圖片來源：羅切斯特大學

然而，在迪亞斯發布研究僅僅一周后，多個實驗團隊就發表論文聲明，在針對镥化氫化合物的重復實驗中沒有發現超導現象。

盡管迪亞斯堅持聲稱自己的實驗結果真實可信，但他在《自然》和《物理評論快報》（Physics Review Letters）上發表的文章接連因造假嫌疑被撤稿，他提出的室溫超導材料也被認為證據不足而受到了廣泛質疑。

镥-氫-氮材料的電阻隨溫度的變化曲線，溫度低至2K都沒有發現超導轉變 圖片來源：參考資料[3]

與今年3月迪亞斯的“發現”相比，這次韓國團隊論文中的常壓下127℃的超導還要更加令人震驚。那么，韓國團隊的“實驗結果”，會不會和迪亞斯宣稱發現室溫超導一樣，最后變成爭議不斷的學術鬧劇呢？

值得一提的是，上次迪亞斯的論文一開始是發表在《自然》上，雖然當時還沒有實驗復現，但至少經過了一定的同行評議；而這次韓國團隊的論文發表在預印本網站arXiv上，完全沒有同行評議的過程。

arXiv發布論文的門檻很低，通常是研究人員在自己論文正式發表之前，先在arXiv上傳預稿證明原創性，論文往往是魚龍混雜，質量難以得到保證。

其實不僅是迪亞斯，幾乎每年都有團隊聲稱發現了室溫超導的材料，可至今沒有一個得到嚴謹的實驗證明。

2016年發表在arXiv的論文聲稱，發現轉變溫度在373K的室溫超導體。圖片來源：參考資料[4]

比如說，arXiv上至今還能搜到2016年上傳的一篇論文，聲稱發現了超導轉變溫度在373K（也就是100℃）左右的化合物，也同樣有多個實驗數據圖和邁斯納效應的效果圖，與此次韓國團隊的論文如出一轍。

只不過，那篇論文沒有公布化合物的成分，實驗過程也不嚴謹，在磁體上的懸浮還被質疑真實性，最后沒有通過同行評議正式發表，也就再沒有引起更多的關注。

2016年的這篇論文中，同樣出現了類似邁斯納效應的實驗圖，然而無法證明其真實性 。圖片來源：參考資料[4]

相比之下，這次韓國團隊不僅公布了他們使用的材料，還在論文中介紹了詳細的材料制備方法，而且材料成分比較簡單和明確。想要制備出相同的材料，拿來檢驗韓國團隊的實驗結果，難度并不大。

事實上，已經有團隊在著手制備材料了，相信很快就會有科研團隊提供相同條件下的實驗結果，驗證韓國團隊的結果是否正確。

論文提供了LK-99的詳細制備過程 。圖片來源：參考資料[1]

LK-99材料究竟是劃時代的發現，還是又一場學術烏龍，可能在未來的幾天內就會揭曉。

作為圍觀群眾，我們應該做的就是靜靜等待，讓子彈再飛一會。

參考文獻

[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008

[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037

[3] Ming X, Zhang Y J, Zhu X, et al. Absence of near-ambient superconductivity in LuH2±xNy[J]. Nature, 2023: 1-3.

[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482

鳴謝：本文得到中國科學院物理研究所羅會仟研究員在專業上的指導和幫助，特此致謝！