室温超導首次成功復現？國內實驗全球刷屏，韓國團隊要下架論文，先別太興奮
7 月 23 日，一支韓國的科研團隊在預印本網站 arXiv 上傳了兩篇論文，宣稱其實現了臨界温度超過 400K（約 127℃）常壓常温超導。
消息一出，眾聲喧譁，各國科研團隊紛紛加入了這場「手搓」常壓常温超導實驗的復現。
歷經幾次復現實驗的「仰卧起坐」，華中科技大學材料學院博士後武浩、博士生楊麗，在常海欣教授的指導下，成功首次驗證合成了可以磁懸浮的 LK-99 晶體，該晶體懸浮的角度比韓國科研團隊獲得的樣品磁懸浮角度更大，有望實現真正意義的無接觸超導磁懸浮。
研究人員用一個小型磁鐵在樣品下方移動，觀察樣品是否有磁懸浮的現象。實驗結果顯示，樣品在磁鐵的兩極下都出現相斥的現象。
截稿前，該視頻在 B 站的播放量達到了 710 萬，且還在源源不斷地增加，四大天坑專業命運的齒輪似乎將再次轉動。
「煉丹」煉出超導體？
事實上自韓國團隊發表該論文以來，由於實驗結論令人震驚，不少研究學者第一時間對此提出質疑。
牛津材料科學教授 Susannah Speller 表示：「目前還為時過早，我們還沒有得到這些樣本超導性的有力證據。」
美國阿貢國家實驗室理論物理學家 Michael Norman 尖鋭批評道：「他們做實驗的方式更像是業餘愛好者。」
南京大學聞海虎教授在採訪中也委婉稱：「目前沒有強烈的證據表明這是常温常壓超導材料，想要驗證真假還需等待科研團隊的實驗結果才能判斷。」
▲ LK-99
與常規超導不同，常壓常温超導需要符合幾個條件。簡單點理解就是高温（能夠在室温下就能超導）、穩定（常規大氣壓力下保持超導狀態，不受外部條件影響而失去超導性）和容易製造（通過普通的方法制造，而不需要使用特殊的設備或條件）。
有意思的是，各國科研團隊下場的復現結果也不盡相同。
北京航空航天大學的科研團隊採用電阻測試法來驗證樣品的超導性。結果顯示，儘管他們合成的樣品與此前韓國團隊公佈的 LK-99 在化學式上完全一致，但他們沒有觀察到該樣品存在明顯的超導現象，甚至存在了類似半導體的特性。
東南大學教授孫悦在 B 站「科學調查局」頻道公佈了在常壓常温下復現超導實驗的全流程，結果顯示樣品具備微弱的抗磁性，但並無超導磁懸浮現象。
另一部分科研團隊雖然宣稱復現了 LK-99 的抗磁性，但「抗磁性」只是超導體材料的必要非充分條件，換言之，超導體材料都有「抗磁性」，但有「抗磁性」的不一定是超導體，完美實現常壓常温下的零電阻性也是值得關注的焦點之一。
▲ 實現磁懸浮的超導體
如上文所説，華中科技大學常海欣教授團隊雖然首次驗證合成了可實現磁懸浮的 LK-99 晶體，但是超導性和通量量子化還有待驗證。
不過，也有研究團隊認為 LK-99 有可能是超導體。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室通過計算機模擬的方法對 LK-99 的理論機制進行了驗證，認為 LK-99 有可能在室温環境壓力成為超導體。
計算機模擬的結果顯示，在銅原子替換磷灰石材料中的部分鉛原子後，銅的電子能量狀態會變成平坦、窄的帶狀分佈，科學家認為這是實現高温超導的一個重要信號。科研團隊也發現，計算結果中顯示銅質參雜的磷灰石具備很多有利於產生超導的條件，因此認為其結果具備研究前途。
面對種種質疑，韓國科研團隊第二篇論文的第三作者 Hyun-Tak Kim 此前在接受《每日經濟新聞》的採訪時表示，他的團隊此前發現了論文中的一個錯誤，現在已經被修改。他補充道：「製造的 LK-99 常壓常温超導材料或許可以在一個月之內被複制。」
還有消息稱，韓國科研團隊可能因為內訌矛盾而隱藏了關鍵工藝，所以才導致目前復現實驗的樣品超導含量相對沒有那麼高。
眼尖的網友在一篇論文《無限層結構的高 Tc 氧化物超導體》中扒出了疑似被韓國團隊隱藏的退火冷卻細節。
其分析指出，穩定的內部高壓才能使內部的電子有序快速移動，這是超導的必要環境。
在數不勝數的實驗中，韓國科研團隊成員 Kim 偶然間發現，當裝有樣品的石英管在從熔爐中取出後的某一瞬間產生裂縫，此時氧氣得以被引入時，才能穩定製備出帶有超導性的成品。
目前與 LK-99 有關的消息層出不窮，LK-99 到底是不是解鎖人類科技的鑰匙，還需要更多的時間去做縝密的論證，所以請不要過分緊張，明天一覺醒來還不會有人飛出銀河系。
不可否認的是，常壓常温超導材料一旦面世，則將意義深遠，不亞於迎來新一輪的工業革命。
例如，在能源領域，常壓常温超導材料的應用可以改善電力輸送網絡的效率，推動超導發電機和風力渦輪機等可再生裝置得到更高效的運行，減少能源損失；
在交通領域，超導材料的零電阻特性可以用於高效的磁懸浮列車系統，從而實現更快速、更節能的交通方式；
▲ 中國科學院全超導託卡馬克核融合實驗裝置
在醫療和科學研究領域，常温常壓超導的應用還可能推動磁共振成像（MRI）和其他醫學成像技術的發展，以及用於科學研究的先進磁體和探測器的製造；
如果我們腦洞再大一點的話，超導特性還將會顛覆既有的產品設計與材料/技術採用，不再需要散熱系統、光纖/高階 CCL 被取代等等，這時即使是小如 iPhone 的手機設備，也能擁有與量子電腦匹敵的運算能力。
但在此之前，你真的瞭解超導是什麼嗎？
室温超導為什麼是「物理學聖盃」？
1911 年，科學家昂尼斯把稀有氣體氦氣降到了 4.2K（約 -270°C）的低温，讓氦氣液化，再用液氦去處理金屬汞，這時候昂尼斯測量汞的電阻發現，金屬汞的電阻隨着温度下降逐漸變小，然後突然消失，變為了 0，成為了一種超級導電材料，後來人們就把這種現象稱之為超導。
▲ 科學家昂尼斯
這是每個接受過九年義務教育的人都聽過的物理學歷史。每一個物理老師在講到超導這一章時眼裏都散發着光，像傳教士一樣把超導的意義和實現室温超導後的美好未來描繪給學生，讓超導的故事代代相傳。
從某種意義上來説，超導具備了一個童話故事所必備要素，即超常的反現實情節和幾近誇張的描寫—— 0 電阻與常理相違背，超級苛刻的製備條件又增添了神秘色彩，更不用説超導實現後會給人們帶來真真切切的影響。
這些種種因素疊加在一起，讓超導成了最容易破圈的前沿物理概念之一，它的傳播阻力比希格斯玻色子、引力波、暗物質等「生僻」名詞低得多。不過，當我們要討論到底什麼是超導，超導的原理是什麼，可能就觸及到大部分人的知識盲區了。
要回答這個問題，我們得先搞清楚電阻是怎麼產生的。
以金屬為例，金屬內部有帶有正電的晶格，外層則是隨意移動的電子，當我們外加電場了之後，自由電子移動的過程就形成了電流。
在這個過程中，一些自由電子有可能撞到晶格上，把一部分的能量傳遞給了晶格，晶格再震動產生熱量，這便是電阻發熱的整個過程。
在昂尼斯發現超導現象之前，科學界對影響電阻的因素爭論不休，科學家馬西森認為當導體的温度降到足夠低時，晶格的振動會減弱，電阻會下降但不會降至 0，另一位科學家開爾文認為當温度下降的時候電阻會先降低，然後到某一温度電阻又升高，因為温度太低時電子也被「凍住」了移動受限。
科學家杜瓦則認為，隨着温度的下降，電阻會逐漸的降為 0，最終昂尼斯的實驗證明杜瓦的觀點是正確的。
事實上，僅是為了研究超導體是否真的電阻降為了 0，還是電阻很小導致儀器測不出來的問題，科學家們就做了大量的實驗研究來論證，我們不再贅述。
這裏想要強調的是，雖然超導現象很容易理解，但經歷了上百年的超導研究本身是一項非常嚴謹且深奧的學術工作，如果在沒有足夠論證材料的前提下妄下結論，甚至借題發揮，只會讓「超導」一詞成為像紅外、量子等被民科過度消費的學術名詞。
1933 年，科學家邁斯納發現了超導體的另一個重要現象：超導體完全抗磁，又可以稱之為邁斯納效應。
普通物體放置在磁場內，可以被磁場穿通過去，但把超導體放在磁場內會發現， 磁場會被完全隔絕（I 類超導體）或部分隔絕（II 類超導體）在外面，有着很強的抗磁性。
有理論解釋這是因為超導體內部會產生電流，從而形成一個磁場與外部磁場抵消了，因此可以實現抗磁性。
▲ 這是一片熱解石墨材料
值得注意的是，抗磁性並非超導體特有的特性，像熱解石墨等材料也會出現抗磁性，因此要驗證超導體材料最嚴謹的方式還是測量材料電阻。
1957 年，三位科學家 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 提出了著名的 BCS 理論解釋超導現象。
BCS 理論認為，在低温下，材料中存在着電子之間的相互吸引力，而這種吸引力會導致電子形成一種特殊的配對狀態，被稱為 Cooper 對。
在正常條件下，電子之間會相互碰撞，導致電阻。但在超導態下，這些電子抱團形成的 Cooper 對不會像單個電子那樣隨機運動，而是以一種集體的方式協同運動。
這時候 Cooper 對可以成團地在晶格之間穿梭，不會受到晶格的干擾，這就是為什麼超導體在低温下能夠無阻礙地傳導電流。
超導現象得到解釋後，科學界在 1980 年代開始了「超導競賽」，超導體的臨界温度從 40K 提升到了 77K、90K 再到 125K（約 -148°C），再後來科學家們開始給材料加超高壓，讓材料可以在更高的温度進入超導態。
2018 年德國的研究團隊製作的十氫化鑭材料在 170 萬倍大氣壓、250K（約-23°C）的條件下實現超導，這是目前最接近室温超導的材料。
和其他超導材料相比，LK-99 的晶體結構、製造方法和超導條件都是異乎尋常的，它值得科學界投入更多的精力去論證，我們也可以藉着這一次風波對超導這種有趣的物理現象做一個簡單的瞭解，這就夠了。
它只是人類在鑽木取火過程中突然出現一個小閃光，也許是火苗，也可能是鑽太久了眼神恍惚。請警惕那些「今天實現磁懸浮，明天完成超導託卡馬克核聚變，後天向獵户座進發」的鼓吹言論，要知道的是，LK-99 都還沒通電呢。
*本文由莫崇宇，陳澤鈞，黃智健共同完成。
資料來源：愛範兒（ifanr）
消息一出，眾聲喧譁，各國科研團隊紛紛加入了這場「手搓」常壓常温超導實驗的復現。
歷經幾次復現實驗的「仰卧起坐」，華中科技大學材料學院博士後武浩、博士生楊麗，在常海欣教授的指導下，成功首次驗證合成了可以磁懸浮的 LK-99 晶體，該晶體懸浮的角度比韓國科研團隊獲得的樣品磁懸浮角度更大，有望實現真正意義的無接觸超導磁懸浮。
研究人員用一個小型磁鐵在樣品下方移動，觀察樣品是否有磁懸浮的現象。實驗結果顯示，樣品在磁鐵的兩極下都出現相斥的現象。
截稿前，該視頻在 B 站的播放量達到了 710 萬，且還在源源不斷地增加，四大天坑專業命運的齒輪似乎將再次轉動。
「煉丹」煉出超導體？
事實上自韓國團隊發表該論文以來，由於實驗結論令人震驚，不少研究學者第一時間對此提出質疑。
牛津材料科學教授 Susannah Speller 表示：「目前還為時過早，我們還沒有得到這些樣本超導性的有力證據。」
美國阿貢國家實驗室理論物理學家 Michael Norman 尖鋭批評道：「他們做實驗的方式更像是業餘愛好者。」
南京大學聞海虎教授在採訪中也委婉稱：「目前沒有強烈的證據表明這是常温常壓超導材料，想要驗證真假還需等待科研團隊的實驗結果才能判斷。」
▲ LK-99
與常規超導不同，常壓常温超導需要符合幾個條件。簡單點理解就是高温（能夠在室温下就能超導）、穩定（常規大氣壓力下保持超導狀態，不受外部條件影響而失去超導性）和容易製造（通過普通的方法制造，而不需要使用特殊的設備或條件）。
有意思的是，各國科研團隊下場的復現結果也不盡相同。
北京航空航天大學的科研團隊採用電阻測試法來驗證樣品的超導性。結果顯示，儘管他們合成的樣品與此前韓國團隊公佈的 LK-99 在化學式上完全一致，但他們沒有觀察到該樣品存在明顯的超導現象，甚至存在了類似半導體的特性。
東南大學教授孫悦在 B 站「科學調查局」頻道公佈了在常壓常温下復現超導實驗的全流程，結果顯示樣品具備微弱的抗磁性，但並無超導磁懸浮現象。
另一部分科研團隊雖然宣稱復現了 LK-99 的抗磁性，但「抗磁性」只是超導體材料的必要非充分條件，換言之，超導體材料都有「抗磁性」，但有「抗磁性」的不一定是超導體，完美實現常壓常温下的零電阻性也是值得關注的焦點之一。
▲ 實現磁懸浮的超導體
如上文所説，華中科技大學常海欣教授團隊雖然首次驗證合成了可實現磁懸浮的 LK-99 晶體，但是超導性和通量量子化還有待驗證。
不過，也有研究團隊認為 LK-99 有可能是超導體。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室通過計算機模擬的方法對 LK-99 的理論機制進行了驗證，認為 LK-99 有可能在室温環境壓力成為超導體。
計算機模擬的結果顯示，在銅原子替換磷灰石材料中的部分鉛原子後，銅的電子能量狀態會變成平坦、窄的帶狀分佈，科學家認為這是實現高温超導的一個重要信號。科研團隊也發現，計算結果中顯示銅質參雜的磷灰石具備很多有利於產生超導的條件，因此認為其結果具備研究前途。
面對種種質疑，韓國科研團隊第二篇論文的第三作者 Hyun-Tak Kim 此前在接受《每日經濟新聞》的採訪時表示，他的團隊此前發現了論文中的一個錯誤，現在已經被修改。他補充道：「製造的 LK-99 常壓常温超導材料或許可以在一個月之內被複制。」
還有消息稱，韓國科研團隊可能因為內訌矛盾而隱藏了關鍵工藝，所以才導致目前復現實驗的樣品超導含量相對沒有那麼高。
眼尖的網友在一篇論文《無限層結構的高 Tc 氧化物超導體》中扒出了疑似被韓國團隊隱藏的退火冷卻細節。
其分析指出，穩定的內部高壓才能使內部的電子有序快速移動，這是超導的必要環境。
在數不勝數的實驗中，韓國科研團隊成員 Kim 偶然間發現，當裝有樣品的石英管在從熔爐中取出後的某一瞬間產生裂縫，此時氧氣得以被引入時，才能穩定製備出帶有超導性的成品。
目前與 LK-99 有關的消息層出不窮，LK-99 到底是不是解鎖人類科技的鑰匙，還需要更多的時間去做縝密的論證，所以請不要過分緊張，明天一覺醒來還不會有人飛出銀河系。
不可否認的是，常壓常温超導材料一旦面世，則將意義深遠，不亞於迎來新一輪的工業革命。
例如，在能源領域，常壓常温超導材料的應用可以改善電力輸送網絡的效率，推動超導發電機和風力渦輪機等可再生裝置得到更高效的運行，減少能源損失；
在交通領域，超導材料的零電阻特性可以用於高效的磁懸浮列車系統，從而實現更快速、更節能的交通方式；
▲ 中國科學院全超導託卡馬克核融合實驗裝置
在醫療和科學研究領域，常温常壓超導的應用還可能推動磁共振成像（MRI）和其他醫學成像技術的發展，以及用於科學研究的先進磁體和探測器的製造；
如果我們腦洞再大一點的話，超導特性還將會顛覆既有的產品設計與材料/技術採用，不再需要散熱系統、光纖/高階 CCL 被取代等等，這時即使是小如 iPhone 的手機設備，也能擁有與量子電腦匹敵的運算能力。
但在此之前，你真的瞭解超導是什麼嗎？
室温超導為什麼是「物理學聖盃」？
1911 年，科學家昂尼斯把稀有氣體氦氣降到了 4.2K（約 -270°C）的低温，讓氦氣液化，再用液氦去處理金屬汞，這時候昂尼斯測量汞的電阻發現，金屬汞的電阻隨着温度下降逐漸變小，然後突然消失，變為了 0，成為了一種超級導電材料，後來人們就把這種現象稱之為超導。
▲ 科學家昂尼斯
這是每個接受過九年義務教育的人都聽過的物理學歷史。每一個物理老師在講到超導這一章時眼裏都散發着光，像傳教士一樣把超導的意義和實現室温超導後的美好未來描繪給學生，讓超導的故事代代相傳。
從某種意義上來説，超導具備了一個童話故事所必備要素，即超常的反現實情節和幾近誇張的描寫—— 0 電阻與常理相違背，超級苛刻的製備條件又增添了神秘色彩，更不用説超導實現後會給人們帶來真真切切的影響。
這些種種因素疊加在一起，讓超導成了最容易破圈的前沿物理概念之一，它的傳播阻力比希格斯玻色子、引力波、暗物質等「生僻」名詞低得多。不過，當我們要討論到底什麼是超導，超導的原理是什麼，可能就觸及到大部分人的知識盲區了。
要回答這個問題，我們得先搞清楚電阻是怎麼產生的。
以金屬為例，金屬內部有帶有正電的晶格，外層則是隨意移動的電子，當我們外加電場了之後，自由電子移動的過程就形成了電流。
在這個過程中，一些自由電子有可能撞到晶格上，把一部分的能量傳遞給了晶格，晶格再震動產生熱量，這便是電阻發熱的整個過程。
在昂尼斯發現超導現象之前，科學界對影響電阻的因素爭論不休，科學家馬西森認為當導體的温度降到足夠低時，晶格的振動會減弱，電阻會下降但不會降至 0，另一位科學家開爾文認為當温度下降的時候電阻會先降低，然後到某一温度電阻又升高，因為温度太低時電子也被「凍住」了移動受限。
科學家杜瓦則認為，隨着温度的下降，電阻會逐漸的降為 0，最終昂尼斯的實驗證明杜瓦的觀點是正確的。
事實上，僅是為了研究超導體是否真的電阻降為了 0，還是電阻很小導致儀器測不出來的問題，科學家們就做了大量的實驗研究來論證，我們不再贅述。
這裏想要強調的是，雖然超導現象很容易理解，但經歷了上百年的超導研究本身是一項非常嚴謹且深奧的學術工作，如果在沒有足夠論證材料的前提下妄下結論，甚至借題發揮，只會讓「超導」一詞成為像紅外、量子等被民科過度消費的學術名詞。
1933 年，科學家邁斯納發現了超導體的另一個重要現象：超導體完全抗磁，又可以稱之為邁斯納效應。
普通物體放置在磁場內，可以被磁場穿通過去，但把超導體放在磁場內會發現， 磁場會被完全隔絕（I 類超導體）或部分隔絕（II 類超導體）在外面，有着很強的抗磁性。
有理論解釋這是因為超導體內部會產生電流，從而形成一個磁場與外部磁場抵消了，因此可以實現抗磁性。
▲ 這是一片熱解石墨材料
值得注意的是，抗磁性並非超導體特有的特性，像熱解石墨等材料也會出現抗磁性，因此要驗證超導體材料最嚴謹的方式還是測量材料電阻。
1957 年，三位科學家 Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 提出了著名的 BCS 理論解釋超導現象。
BCS 理論認為，在低温下，材料中存在着電子之間的相互吸引力，而這種吸引力會導致電子形成一種特殊的配對狀態，被稱為 Cooper 對。
在正常條件下，電子之間會相互碰撞，導致電阻。但在超導態下，這些電子抱團形成的 Cooper 對不會像單個電子那樣隨機運動，而是以一種集體的方式協同運動。
這時候 Cooper 對可以成團地在晶格之間穿梭，不會受到晶格的干擾，這就是為什麼超導體在低温下能夠無阻礙地傳導電流。
超導現象得到解釋後，科學界在 1980 年代開始了「超導競賽」，超導體的臨界温度從 40K 提升到了 77K、90K 再到 125K（約 -148°C），再後來科學家們開始給材料加超高壓，讓材料可以在更高的温度進入超導態。
2018 年德國的研究團隊製作的十氫化鑭材料在 170 萬倍大氣壓、250K（約-23°C）的條件下實現超導，這是目前最接近室温超導的材料。
和其他超導材料相比，LK-99 的晶體結構、製造方法和超導條件都是異乎尋常的，它值得科學界投入更多的精力去論證，我們也可以藉着這一次風波對超導這種有趣的物理現象做一個簡單的瞭解，這就夠了。
它只是人類在鑽木取火過程中突然出現一個小閃光，也許是火苗，也可能是鑽太久了眼神恍惚。請警惕那些「今天實現磁懸浮，明天完成超導託卡馬克核聚變，後天向獵户座進發」的鼓吹言論，要知道的是，LK-99 都還沒通電呢。
*本文由莫崇宇，陳澤鈞，黃智健共同完成。
資料來源：愛範兒（ifanr）