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石破天驚!韓國發現室溫超導材料?或帶來顛覆世界的革命性改變
2023/07/28

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7月22日,韓國科學家提交了一篇石破天驚的論文,聲稱合成了一種叫改性鉛磷灰石(LK-99)的材料,可以在室溫常壓下實現超導,徹底顛覆世界的成果就這樣橫空出世了?

什麼是超導?

超導是一種神奇的物理現象,指的是某些材料在低溫條件下,電阻突然消失,電流可以無損耗地流動,同時具有完全抗磁性,可以懸浮在磁場中。

超導材料有著廣泛的潛在應用,比如磁懸浮列車、核磁共振成像、超級計算機、量子信息等。

但是,要實現超導效果,通常需要將材料冷卻到極低的溫度,這不僅耗費大量的能源,也限制了超導材料的實際使用。因此,科學家們一直夢寐以求找到一種能在室溫下工作的超導材料,也就是所謂的「室溫超導」

超導研究的里程碑

1911年【-269℃】:荷蘭物理學家昂內斯在研究水銀低溫電阻時發現了超導現象,即水銀在4.2K時電阻突然消失(零電阻效應)。他把這種現象稱為超導電性,相應的材料稱為超導體。

1957年:美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗提出了BCS理論,成功解釋了低溫超導機理,即電子在晶格振動的介質下形成庫珀對,并在費米面附近形成能隙,從而實現無阻礙的量子相干運動。

1986年【-230℃】:瑞士物理學家貝特諾茨和繆勒發現了一種鑭銅鋇氧陶瓷氧化物材料,在43K時出現了超導電性,創造了當時的最高臨界溫度紀錄。這是高溫超導材料的首次發現,引發了全球的研究熱潮。

1987年【-196℃】

:我國物理學家趙忠賢、美籍華人科學家朱經武等相繼發現了釔鋇銅氧系高溫超導材料,在90K以上出現了超導電性,打破了液氮溫度(77K)的限制。

1988年【-163℃】:美國物理學家吳征銓發現Bi-Sr-Ca-Cu-O體系超導材料,創下110K的新紀錄。

1993年【-109℃】:美國物理學家朱經武在高壓下把汞鋇鈣銅氧系的臨界溫度提高到了164K,是當時的最高紀錄。

2008年:日本物理學家Hosono等發現了層狀結構LaFeAsO體系26K的超導電性,開啟了鐵基超導體的研究領域,打開了高溫超導研究的新方向。

2014年【-83℃】:德國物理學家Eremets等在200 GPa高壓下實現了硫化氫190K的超導電性,首次突破干冰溫區(195K)。

2017年:哈佛大學物理學家Silvera等宣稱成功制造出金屬氫,并聲稱它是一種室溫超導體。然而,這一結果受到了很多質疑和爭議。

2018年:中國青年科學家、麻省理工學院博士曹原等人發現了一種新型超導體,即雙層石墨烯在特定角度重疊時會出現超導現象。這種超導體雖然溫度很低,但卻揭示了超導的一個重要線索,即通過調整材料的結構和電子相互作用,可以實現超導態的轉變。這種思路也適用于其他類型的超導材料,比如銅氧系。自然雜志和諾貝爾獎得主羅伯特·勞夫林都對這項發現給予了高度評價,認為它可能有助于解開超導之謎,從而設計出常溫超導體。

韓國室溫超導

2023年7月22日,韓國3位物理學家在預印伺服器arxiv提交了一篇論文,標題是《The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor》,聲稱首次在世界上合成了一種可以在室溫和常壓下工作的超導材料,它的臨界溫度高達400 K——

【127 ℃】,遠高于以往的任何超導材料,這意味著什麼已經不言而喻了!

這種超導材料的結構是由鉛磷灰石(LK-99)改性而來的,它由兩種不同的鉛離子(Pb(1)和Pb(2))組成,其中Pb(1)形成了一個圓柱形的柱狀結構,而Pb(2)則與磷酸根形成了一個絕緣網絡。這種結構使得這種材料具有很高的介電常數和極化率,從而增強了電子之間的相互作用。

這種超導材料的超導性是由于銅離子(Cu(2+))替代了部分Pb(2)離子,導致了體積收縮和應力產生,從而使得圓柱形柱狀結構的界面發生了微小的畸變,形成了超導量子阱(SQWs)。這些SQWs是超導電流的載體,它們不受外界因素(如溫度和壓力)的影響,而只取決于內部結構。

這篇論文用多種實驗方法證明了這種超導材料的超導性,包括臨界溫度、零電阻、臨界電流、臨界磁場和邁斯納效應。他們還用一個新的模型來解釋這種超導材料的熱容性質,并與其他模型進行了比較。

簡單來說,就是用銅離子代替部分鉛離子后,內部體積收縮0.48%,應力變化在界面形成微小畸變,導致超導量子阱的出現,就像一個個小洞,可以讓電子毫不費力地通過量子隧穿移動,因而不再有電阻。

這篇論文指出,這種超導材料具有獨特的結構特征,使得它能夠在室溫和常壓下保持和表現出超導性,這簡直就是人類夢寐以求的可以改變世界的革命性新材料!

超導材料的革命性應用

一石激起千層浪!室溫超導就這樣被突破了?如果這項研究被證實,將在各個領域產生革命性的巨變,可以說將顛覆現在世界的各種技術。

電力輸送:超導材料可以大大減少電網中的能量損耗,提高電力的效率和可靠性。超導材料也可以用于制造高效的發電機、變壓器和儲能裝置。例如,美國已經建造了一條長達1.6公里的超導電纜,可以輸送10萬千瓦的電力,相當于傳統電纜的5倍。

磁懸浮列車:超導材料可以產生強大的磁場,使得列車可以懸浮在軌道上,從而減少摩擦和噪音,提高速度和安全性。超導磁懸浮列車已經在一些國家如日本和中國進行了試驗和運營。例如,日本的SCMaglev列車已經達到了603公里/小時的最高時速。

醫療成像:超導材料可以用于制造高分辨率的磁共振成像(MRI)儀器,它們可以對人體內部的結構和功能進行非侵入性的檢測和診斷。超導MRI儀器已經廣泛應用于醫院和診所。例如,美國已經開發了一種7特斯拉(T)的超導MRI儀器,可以提供比常規MRI儀器更清晰、更精確、更敏感的圖像。

量子計算:超導材料可以用于制造量子比特(qubit),它們是量子計算機的基本單元,可以同時處于0和1的狀態,從而實現指數級的計算能力。

超導量子比特已經被一些公司,如IBM和谷歌用于開髮量子計算機。例如,谷歌已經宣布實現了量子霸權(quantum supremacy),即用一個53個qubit的量子計算機完成了一個傳統計算機無法在合理時間內完成的任務,最近更將其擴展到了77個量子比特。

人造太陽:可控核聚變是人類的未來,而要實現可控核聚變,超導磁體是關鍵,因為它們可以產生強大且穩定的磁場來約束高溫高壓的等離子體。如果能實現常溫常壓超導,將大大降低核聚變反應堆的復雜度和成本,為人類提供幾乎無限的清潔能源。

你就可以想象這項研究在全世界引發了多大的轟動,不過這篇論文因為搶時間,目前只發表在預印伺服器上,還沒有經過同行評審的嚴格審查。由于這種材料很容易制取,據說全世界的科學家現在都在緊鑼密鼓地驗證,或許很快就會知道能不能重復實驗了。

近年來已有多起號稱實現室溫超導而被撤稿或質疑的研究,因此對于這種顛覆性的突破,我們需要保持謹慎和理性的態度,不要輕信或盲目跟風。

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