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突破還是“烏龍”?“LK-99”材料實現室溫超導有待驗證

新華社
2023-08-09 17:35
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超導體概念圖。 視覺中國 圖

近日引起科學界轟動的一大新聞,是韓國科研團隊宣稱合成了一種名為“LK-99”的室溫超導材料。

7月22日,韓國量子能源研究所等機構的研究人員在預印本網站arXiv上發表論文說,他們合成的“LK-99”材料具備超導性,超導臨界溫度在127攝氏度左右,而且在常壓下就具備超導性?!癓K-99”是一種改性鉛磷灰石晶體結構。韓國研究團隊將幾種含有鉛、氧、硫和磷的粉末狀化合物混合在一起,然后在高溫下加熱數小時,粉末發生化學反應后得到一種摻雜銅的鉛磷灰石晶體。

韓國團隊宣稱的成果引起科學界極大關注的同時,也受到不少學者的質疑。

科學界追尋的目標

各類材料在常溫下都具有一定的電阻。當電子從材料的一端流到另一端時,它們不斷碰撞并減速,類似于風吹過樹葉時空氣的減速。1911年,荷蘭物理學家??恕た溋帧ぐ簝人拱l現汞在約4開爾文(絕對零度以上4攝氏度,即約零下269攝氏度)時電阻急劇下降,進入一種電阻小到實際上測不出來的新狀態。他把汞的這一新狀態稱為超導態。昂內斯也因為發現超導現象獲得1913年諾貝爾物理學獎。

超導體在特定溫度才能呈現電阻為零,其兩大關鍵特征為零電阻和完全抗磁性,即邁斯納效應。超導體電阻轉變為零的溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度高低,超導材料可分為低溫超導體和高溫超導體。

迄今為止,已發現數十種金屬元素——鉛、汞、鈮、錫及其合金在冷卻到接近絕對零度時會變成超導體。但這些材料實現超導條件苛刻,即便所謂“高溫超導體”的臨界溫度也通常在零下100攝氏度或更低,需要液氦或液氮制冷并需要高壓,難度大且成本高,幾乎無法實用。目前已確認的世界紀錄,是美國和德國科研人員以氫化鑭材料在250開爾文(約零下23攝氏度)還需約100萬倍大氣壓的極端高壓實現超導。

如果有一種材料能在接近室溫和常壓條件下實現超導,勢必給世界帶來革命性的突破。例如,計算機芯片可以運行更快能耗更低、電網可以接近無損耗輸電、高速磁懸浮列車可能很快投入實用……因此,近幾十年來世界各國研究人員在這一領域投入了極大精力。

“LK-99”引起關注的原因還在于,韓國研究人員宣稱它不僅臨界溫度接近常溫,其成分和合成方法出乎意料地簡單和廉價,而過去科學界往往在稀有金屬元素的方向尋求突破。一旦得到驗證并解明其機理,它可能很快接近實用。

是否突破還需驗證

不過“LK-99”不是首個宣稱實現室溫超導的材料,過去也曾有研究人員宣布“重大突破”,但迄今未驗證和復現成功。

美國研究人員蘭加·迪亞斯等人2020年曾在英國《自然》雜志上報告,一種含碳、硫、氫的化合物在15攝氏度下表現出超導性能,成為電阻為零的超導體,但該論文去年被撤回。今年3月8日,迪亞斯團隊又一篇論文發表在《自然》網站,論文稱研發出一種含镥、氫、氮的材料,在約20.6攝氏度的室溫和10千巴(約1萬倍大氣壓)的壓力下表現出超導性能,迄今也有多個團隊報告不能復現其成果。

“LK-99”又會如何?因為其制備和驗證相對簡單,目前已有包括中國在內的多國科研團隊都在嘗試復現。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室的西妮德·格里芬針對“LK-99”的性質在預印本網站arXiv發表論文表示,超導性可以解釋“LK-99”的特性,但大量其他現象,如金屬絕緣體轉變、電荷密度波等也可以解釋。針對一些媒體報道說她的計算機模擬“支持‘LK-99’的超導性”,格里芬在社交媒體強調,其論文沒有提供“LK-99”具有超導性的證據。

《自然》雜志網站4日報道說,印度國家物理實驗室和中國北京航空航天大學的團隊開展的兩項獨立的實驗合成了“LK-99”,但沒有觀察到超導的跡象。中國東南大學的研究人員開展的實驗沒有發現邁斯納效應,但在零下163攝氏度下測得“LK-99”的電阻接近于零,該溫度遠低于室溫,對于超導體來說卻很高。文章指出,“LK-99 ”結構的不確定性限制了研究人員從理論計算中得出結論。

韓國超導和低溫學會“LK-99”驗證委員會表示,與“LK-99”相關的影像和論文中展示的這一材料的特征并不符合邁斯納效應,不足以證明“LK-99”是室溫超導體。

美國倫斯勒理工學院材料科學與工程系副教授埃德溫·福通說,實現室溫超導,需要在理解超導背后的基本原理、發明新材料或發現提高臨界溫度的新方法方面取得突破?!癓K-99”是突破還是“烏龍”,首先需要科研人員復現。目前來看,室溫超導領域出現重大進展恐怕還需時日。

    責任編輯:王卉
    圖片編輯:李晶昀
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