“室溫超導(dǎo)”為何經(jīng)常鬧烏龍

文／孫英睿 范朝輝

2023 年7 月底，韓國科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)稱，一種名為“LK-99”的銅、鉛、磷和氧的化合物可以實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。消息傳出后，多國科學(xué)家紛紛嘗試復(fù)制“LK-99”。日前，《自然》雜志的一篇報(bào)道總結(jié)了國際上不同實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出“LK-99”不是室溫超導(dǎo)體，并解釋了這種材料出現(xiàn)類似超導(dǎo)行為的原因。“LK-99”終于塵埃落定，被認(rèn)定為烏龍事件。

在探索室溫超導(dǎo)的歷程中，“LK-99”不是第一種被宣稱實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的材料，也不是第一種在后續(xù)驗(yàn)證中陷入爭議的材料。事實(shí)上，很多所謂的“室溫超導(dǎo)體”最后都無法定論，物理學(xué)家們將其稱為“不明超導(dǎo)體”。那為什么“室溫超導(dǎo)”總是命運(yùn)多舛呢？

1911 年4 月8 日，荷蘭物 理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，即導(dǎo)體在特定條件下（如溫度、壓強(qiáng)、磁場等）電阻為零的現(xiàn)象。

超導(dǎo)其實(shí)是物質(zhì)的一種特殊狀態(tài)，它有兩個(gè)最主要的衡量指標(biāo)：臨界溫度和臨界磁場，而它的特性是零電阻性和完全抗磁性。這樣的特性讓超導(dǎo)的應(yīng)用前景十分廣闊。例如，超導(dǎo)體電阻為零，可以無損耗運(yùn)輸電力；它有完全的抗磁性，液氮超導(dǎo)磁懸浮就是很直觀的表現(xiàn)；它可以很方便地按照電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，用于核磁共振……但昂內(nèi)斯觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象，需要的溫度是4.2k（約為-269℃），如此低的溫度意味著超導(dǎo)體基本沒有任何日常實(shí)用的可能性。

在過去十幾年里，不斷有研究團(tuán)隊(duì)聲稱找到了室溫或接近室溫的超導(dǎo)體。2020 年10月，美國迪亞斯團(tuán)隊(duì)聲稱通過綠色激光誘導(dǎo)合成的碳硫氫化合物在267GPa 壓強(qiáng)（高壓）下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)288K（14.85℃）。但是還沒等該實(shí)驗(yàn)被重復(fù)出來，迪亞斯團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便受到同行懷疑。迪亞斯團(tuán)隊(duì)的論文最終在2022 年9月被撤回。

2023 年3 月初，迪亞 斯宣布又發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體——高溫高壓條件下合成的镥氮?dú)浠衔镌?GPa 壓強(qiáng)下即可實(shí)現(xiàn)294K（20.85℃）室溫超導(dǎo)。但是，這項(xiàng)研究結(jié)果不僅未得到復(fù)現(xiàn)，還被不少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)予以否定。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，歷史上聲稱發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的研究不少于7 個(gè)，其結(jié)果不是未得到證實(shí)，就是論文被期刊撤稿。

新的超導(dǎo)材料要想獲得認(rèn)可，既需要研究人員給出令人信服的數(shù)據(jù)，又需要其他同行能夠重復(fù)出同樣的效果。對疑似超導(dǎo)體的驗(yàn)證工作至少分為兩個(gè)階段：獲得一塊高質(zhì)量的樣品和對樣品完成測試。

首先，制備樣品就不容易。“高質(zhì)量樣品”往往是一塊大小合適的干凈單晶。用來測試的晶體，缺陷要盡可能少，雜質(zhì)要幾乎完全排除。這就需要昂貴的高純原料、復(fù)雜的燒結(jié)條件，以及經(jīng)驗(yàn)和一些運(yùn)氣。

其次，測試出有說服力的數(shù)據(jù)同樣不易。常壓超導(dǎo)的樣品測試起來相對簡單，但也有很多步驟。樣品首先要用細(xì)砂紙打磨，打磨輕了，表面雜質(zhì)沒被剝離，會帶來假信號；打磨重了，可能導(dǎo)致樣品四分五裂。幾毫米長的樣品磨好以后，還要并排粘上4根導(dǎo)電電極，用類似伏安法電壓表內(nèi)接的方式測試電阻。電極要粘得平行且等長，彼此還要留出足夠的距離。所有這些步驟都要在顯微鏡下迅速完成，不然樣品若在空氣中氧化變質(zhì)，前面的工作就白費(fèi)了。

我們相信，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)理論的突破，未來還會有更多的“室溫超導(dǎo)”材料出現(xiàn)。如果室溫超導(dǎo)真正實(shí)現(xiàn)，一定會為世界帶來巨大改變。科學(xué)探索必然道阻且長，人類對溫和條件下超導(dǎo)的探索不會停止。