韓國團隊室溫超導開啟人類新紀元？3小時內(nèi)提交兩篇論文，樣品被指有瑕疵
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發(fā)布 : 07-28
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美國羅切斯特大學Ranga Dias團隊的室溫超導研究疑云尚未消散，韓國量子能源研究中心（Q-centre ）、高麗大學等團隊的研究人員再次投下一記“尚未經(jīng)同行評議”的重磅。研究團隊宣布成功合成了世界上第一個室溫常壓超導體，即在常壓條件下，一種改性的鉛-磷灰石(命名為LK-99)能夠在127℃(Tc≥400k)以下表現(xiàn)為超導體。鑒于室溫超導研究的挑戰(zhàn)性和重要性，此類“重磅”每次都掀起廣泛關注和討論。研究團隊自己對該研究評價稱，“我們相信，我們的新進展將是開啟人類新紀元的全新歷史事件”。然而，正如此前Dias團隊的研究，此次韓國團隊的研究也將經(jīng)受“時間的考驗”。讓事件更為撲朔迷離的是，上述新研究實際上關聯(lián)到兩篇論文。從時間線上來看，第一篇提交于7月22日7時51分，第二篇則于7月22日10時11分提交，兩篇提交時間相差不足2.5小時的論文均發(fā)表在預印本系統(tǒng)arXiv，尚未經(jīng)同行評議。兩篇文章作者人數(shù)不同，但有兩位重合。就論文本身內(nèi)容來看，第二篇更為詳盡。其中上述第二篇論文的作者之一、美國威廉與瑪麗學院的物理學教授Hyun-Tak Kim在接受采訪時則直接表示，第一篇論文里存在“許多缺陷”，并且未經(jīng)他的允許就被上傳了。百年過去，超導何時“接地氣”100多年前，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）為人類打開了超導這扇大門。1911年，昂內(nèi)斯在研究中發(fā)現(xiàn)，當溫度降到4.2K以下時，金屬汞（Hg）的電阻突然降為零，而這并不是任何實驗上的紕漏導致的。自此，汞成為了科學家發(fā)現(xiàn)的第一個超導體，其超導Tc為4.2K。所謂的超導Tc即超導轉(zhuǎn)變溫度，也就是超導體由正常態(tài)進入超導態(tài)的溫度。荷蘭物理學家昂內(nèi)斯 視覺中國 資料圖總體而言，零電阻是超導體的基本特征之一，此外一個重要的基本特征則是邁斯納效應。繼昂內(nèi)斯上述發(fā)現(xiàn)20余年后，邁斯納在研究測量中發(fā)現(xiàn)，材料處于超導態(tài)時，其內(nèi)部磁場為零，展現(xiàn)出完全抗磁性，這也就被稱為邁斯納效應。超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被認為是20世紀最偉大的發(fā)明之一。然而，發(fā)展至今，超導體的實際應用基本局限于磁懸浮等少數(shù)特定場景下。此次韓國研究團隊也提到，自昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導性以來，科學家們一直在尋找室溫超導體。原因不難理解，維持材料超導性的極低超導Tc，這對大規(guī)模的應用開發(fā)來說是一道極大的障礙?？茖W家們在這條改進突破的路上已有過一些重大成果。上世紀80年代，銅基超導體的發(fā)現(xiàn)將超導Tc帶到了超過40K；進入21世紀之后，日本、中國等科學家在鐵基超導體上實現(xiàn)了超導Tc的進一步提升。韓國團隊同樣在論文中援引了Dias團隊目前尚處于爭議中的研究，他們提出的由氫、氮、镥三種元素組成超導體，在大約10kbar（也就是1GPa，約相當于1萬個大氣壓）下可實現(xiàn)約294K（21℃）的室溫超導電性。國際高溫超導研究領域的先驅(qū)者、著名物理學家朱經(jīng)武今年3月在接受媒體采訪時曾表示，過去，我們以為達到液氮溫度77K（-196度）以上就可以應用了，但是在制備材料時，發(fā)現(xiàn)有困難，成本太貴了。后來，克服了溫度，把溫度達到室溫后，發(fā)現(xiàn)要加很高的壓力，這又產(chǎn)生了問題。可以說，過去的100多年時間里，超導領域始終處于不斷探索的途中。一條道路指向超導Tc，使其無限接近便于實際應用的室溫；另一條道路則在于持續(xù)深入地挖掘超導背后的機理。韓國版室溫常壓超導體，真突破還是“狼來了”和3個多月前Dias團隊的成果相比，韓國團隊的超導體讓人“更難以置信”。不僅解決了溫度問題，他們的LK-99甚至不需要“高壓助手”。而127℃的Tc，不僅僅是數(shù)字上比以往研究進一步大幅提高，更重要的是意味著其可應用的溫度區(qū)間大大拓寬。LK-99如何獲得？上述更為詳細的第二篇論文顯示，研究團隊使用固相法合成了LK-99，合成原料為氧化鉛（PbO）、硫酸鉛（PbSO4）、銅（Cu）和鉛（P）。目前業(yè)內(nèi)普遍認為，LK-99的制備過程似乎相當簡單。樣品合成過程具體包括三個步驟：第一步，將氧化鉛和硫酸鉛粉末在陶瓷坩堝中以各50%的比例均勻混合，混合粉末在725℃的爐中加熱24小時發(fā)生化學反應。第二步，將銅和鉛粉末按比例在坩堝中混合，合成磷化亞銅，讓混合后的粉末處于相應的真空封管狀態(tài)下，然后置于爐內(nèi)550℃加熱48小時。在此過程中，混合材料發(fā)生相變，形成磷化亞銅晶體。第三步，將上述兩步所得物質(zhì)磨成粉末，并在坩堝中混合，再將混合粉末真空封管，在925℃的爐內(nèi)加熱5至20小時。摘自論文研究團隊稱，在此過程中，混合粉末反應轉(zhuǎn)化為最終材料，一種灰黑色的銅摻雜的鉛-磷灰石，這種多晶材料也就是他們命名的LK-99。他們總結(jié)稱，LK-99的超導性已經(jīng)通過超導臨界溫度Tc、零電阻率、臨界電流(Ic)、臨界磁場(Hc)和邁斯納效應得到了證明。研究團隊提出，LK-99結(jié)構(gòu)與鉛-磷灰石非常相似，但由于晶格中出現(xiàn)了鉛被銅取代的現(xiàn)象，相關晶胞（反映晶體周期性和對稱性的最小重復單元）參數(shù)顯示LK-99與原始鉛-磷灰石相比有輕微的收縮，縮小率為0.48%。銅離子取代引起的應力傳遞到圓柱體列的鉛，導致界面發(fā)生扭曲，從而形成超導量子阱。研究團隊認為，正是這種結(jié)構(gòu)的影響，導致了這種新材料非凡的超導性，而非溫度和壓力等外部因素。第一篇論文的作者們寫道，到目前為止，超導性與材料結(jié)構(gòu)變化之間的關系還沒有得到很好的闡明。事實上，目前發(fā)現(xiàn)的影響超導體超導性產(chǎn)生的兩個主要因素是溫度和壓力。但溫度和壓強都會影響材料的體積，似乎在低溫或高壓下體積減小所產(chǎn)生的應力會引起微小的應變或變形。研究團隊稱，雖然很難觀察到超導材料微小結(jié)構(gòu)的變化，但這種結(jié)構(gòu)變化似乎帶來了它的超導性。值得一提的是，研究團隊還專門上傳了一段視頻，以證明LK-99在磁鐵上懸浮的情況，這也就是邁斯納效應。不過，這塊扁平的、像硬幣一樣的材料的懸浮情況并不是十分完美，仍有一邊似乎接觸磁鐵。就該情況，Hyun-Tak Kim稱，這表示樣品并不完美，只有一部分成為超導體并表現(xiàn)出邁斯納效應。研究團隊上傳的視頻 。(00:03)盡管Hyun-Tak Kim目前的態(tài)度透露著該項研究背后作者們的“想法各異”，但他對外界的質(zhì)疑表示接受，認為其他研究人員應該嘗試復制他們團隊的工作來解決目前的疑問。與此同時，Hyun-Tak Kim還表示其和其他同事們將繼續(xù)完善目前的工作，并向大規(guī)模生產(chǎn)邁進。另外值得關注的是，這次的“子彈”或許不用飛太久。按照目前領域內(nèi)的說法，鑒于上述新材料制備簡單，或許已有大批重復工作已在路上。
