LK-99室温超导疑云背后：低温超导产业化已较为成熟

LK-99室温超导疑云背后：低温超导产业化已较为成熟

记者 倪雨晴 深圳报道

【资料图】

在惊喜和反转、质疑和驳斥、希望和失望之间，超导研究逐步走入大众视野。

最新的篇章是8月4日，LK-99论文作者之一Hyun-Tak Kim又放出了一段视频，展示了LK-99样本的悬浮状态。就在前一天8月3日，韩国超导低温学会直接表示LK-99并非室温超导体，因为该物质尚未展现出迈斯纳效应，即完全抗磁性。

然而，看起来针锋相对的两边，双双受到外界的质问。从论文作者的新视频看，样本形状不同之外，似乎和此前的悬浮视频没有本质区别；韩国学会的判断主要是理论的解读，并没有拿到样本进行验证。

因此，围绕着LK-99的争议仍在继续，戏剧化的发展方式也令真相扑朔迷离。全球科研人员还在设法解析，在arXiv网站上关于LK-99的研究论文不断上线。其中既有理论模拟计算派，也有实验派，国内多所高校就制作了样品尝试复现。

“我们并没有证实、也没有发现室温超导，但是我们在110K以下成功地观测到了零电阻，这可能是它(LK-99)存在超导电性的一个很重要的证据。”8月3日凌晨，东南大学物理学院教授孙悦在B站上更新了LK-99研究成果视频，抛出了最新的实验结果。

需要指出的是，110K约为零下163.15℃，属于高温超导的范畴，而一般临界温度高于300K(26.85℃)的超导体才被称为室温超导体，所以零电阻的结果并没有证明LK-99是室温超导体。

同时值得注意的是，东南大学团队并未检测到完全抗磁性，这是超导体的另一个重要属性。所以综合而言，从实验结果来看，并不能确认LK-99(Pb₁₀-ₓCuₓ(PO₄)₆O)就是超导体。

目前，东南大学物理学院超导研究团队的相关论文已经在arXiv上发表(如下图所示)，论文摘要中也写道，零电阻是超导电性的重要证据，实验表明Pb₁₀-ₓCuₓ(PO₄)₆O 可能是高温超导体的候选者。

虽然大家期待超导技术带来产业代际革命，但是目前来看，还没有一家的复现能够证明韩国团队提出的LK-99为室温超导材料。

由于LK-99的实验制备相对简单，当前全球多家实验室还在尝试复制验证中，所以近期还将有更多实验结果公布，复现的热潮还在持续。假设最终验证了韩国团队合成的LK-99真的是室温超导体，从实验室走向产业化应用还有很长距离。

回顾来看，超导现象发现至今已有百年，而室温超导体堪称业界“终极梦想”，也被视为材料物理学的皇冠、诺奖潜力赛道。一代又一代的学者们孜孜不倦地求索，希望合成开启科技新时代的一把钥匙。近年来室温超导也频频出圈，引发热议不断，但同时也上演了多次“狼来了”，目前并未看到商业化的可行性。

另一方面，超导的应用其实早已在我们身边，比如核磁共振、超导滤波器、高能粒子加速器、超导量子计算、超导磁悬浮列车等等，涉及到能源、医疗、通信、交通等重要领域，改变着人类的生活和生产，业界也在不断进行超导产业化探索。

一位超导研究专家告诉21世纪经济报道记者：“发不发现室温超导体都不会影响现在的超导应用发展，因为不是所有超导体都具备实用性，现在已经发展的超导公司都是在发展实用超导材料的工业化和商业化。”

验证关键指标：零电阻和完全抗磁性缺一不可

超导体存在零电阻、完全抗磁性(迈斯纳效应)和量子隧穿效应三大特性，其中，零电阻和完全抗磁性是两大主要特征，两者缺一不可。

以零电阻为例，所谓超导体是指超级能够导电的材料，可以超级到在某一温度下电阻为零。这也意味着电流通过不会产生热损耗，发热、散热等问题都将得到解决，大规模应用将为电力等能源行业带来巨大革命。只是现在实现超导要么需要温度很低，要么需要很大的压力，成本非常高，业界也一直在追求更高的临界温度。

再看完全抗磁性，是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象，这一现象是德国科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。

在近期的复现潮中，科学家们就致力于验证LK-99是否同时具备零电阻和完全抗磁性。目前公布的各项实验结果中，都只呈现了某一种特性，比如华中科技大学的视频展示的，是LK-99的抗磁性，但并未观测到零电阻属性；东南大学成功观测到了110K以下的零电阻，但是并没有发现完全抗磁性，都无法证明LK-99是室温超导体。

尽管包括华中科技大学团队在内的多个研究组织复现了LK-99的抗磁性，但是在磁体上悬浮并不意味着它就是超导体。

有超导业内人士解析道，物质具有较强的抗磁性就可能在磁体上悬浮，但不意味着能悬浮的物质具有完全抗磁性。超导体具有完全抗磁性，完全抗磁性一定导致零电阻。第一类超导体具有完全抗磁性，所以在外磁场小于临界场时一定会体现零电阻特性，第二类超导体在外磁场小于上临界场时，也一定具有零电阻特性。所以，单纯具有磁悬浮特性，而不同时具有零电阻特性的物质不是超导体。

根据超导体的性质和特点，可以分为第一类和第二类超导体，第一类超导体的典型代表是铅，铝等金属，第二类超导体的典型代表是铜氧化物超导体。而不管是哪一类型的超导体，都必定同时具备零电阻和完全抗磁性的特性。

一位投资人士向21世纪经济报道记者表示：“合成出抗磁材料，不代表就能实现了常温超导。抗磁性只是超导体的必要条件——超导体都有抗磁性，但是有抗磁性的不一定都是超导体。现在所谓‘复现’均指复现了抗磁性，接下来的‘电阻为零’实验才是重头戏。”

而在东南大学的实验中，零电阻是否完全因为超导形成也还没有定论。孙悦谈道：“我们一共测了6片样品，只在一片样品里观测到了零电阻，其他样品大多数产生的是半导体行为。此外，对观测到零电阻的样品进行了完全抗磁性测量，但是并没有观测到完全抗磁性，所以我们猜测样品里零电阻如果是超导造成的话，超导的组份应该还是比较低的。”

孙悦着重强调：“此次观测到了LK-99材料在110K以下的零电阻，但这并不是室温超导的证据，是否是室温超导还有待进一步探索和测量。”

室温超导材料：众里寻他千百度

1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在研究低温下的汞(水银)的电阻行为时发现，在温度降低到4.2K时，电阻为零，这一现象在1913年得到确认，被称作“超导电性”。

超导的大幕就此拉开，长期以来学界就一直在元素周期表上寻找各种超导材料，研究超导的原理。

直到1957年，约翰·巴丁(J.Bardeen,)、利昂·库珀(L.V.Cooper)、罗伯特·施里弗(J.R.Schrieffer)三位科学家才首次从微观层面揭开了超导电性的原理，他们共同提出了超导电性的微观理论BCS理论。BCS理论以三者姓氏的首字母命名，成功地解释了传统金属和合金的超导电性。

根据公开资料，BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成“库珀对”，“库珀对”在晶格当中可以无损耗地运动，形成超导电流。BCS理论获得1972年的诺贝尔物理学奖，但是不能成功地解释第二类超导，或高温超导的现象 。

即使现在我们对于超导还并未完全研究透彻，科学家也在努力探究更多的规律、寻找合成超导体以及应用的更优解。

2017年，中国科学院院士、中科院物理所研究员赵忠贤曾在一次演讲中指出，目前在超导领域，人们对高温超导机理的理解还不够。另外，仍然不断有新现象涌现，而对于很多新发现，利用现在的物理理论难以得到令人满意的解释。探索更适于应用或更高临界温度的超导材料也是人们面临的挑战。同时，即便基于现在人们对于超导的理解和掌握的超导技术，超导技术的很多应用前景也还没有得到很好的挖掘，而探索新的高临界温度超导体似乎是个永恒的课题。

一方面，当前学界并未找到梦寐以求的常压室温超导体，为何室温超导如此困难？

根据物理学知识，一般当电流通过电阻时，电子与电阻中的原子发生碰撞，电子的动能被转化为热能，导致电阻发热。要将电阻降为零就需要特殊的材料和环境，低温或高压就是为了降低热运动，不让热运动破坏超导电流的形成，即使常温状态实现超导也要加上极高的压力。

而不论低温还是高压，都需要极高的成本，比如低温环境往往需要依赖于液氦或其他设备来维持，这极大地增加了超导材料的应用和维护成本。如果有一种常温常压超导体存在，且能规模化应用，那将极大地降低使用成本，掀起一场工业革命。

但是另一方面，要找到适合应用的超导体也绝非易事。

今年3月的室温超导热期间，中国科学院物理研究所高温超导机理研究员罗会仟曾在一次解读中谈道：“超导现象被发现的一百多年里，我们已经找到了一万多种超导材料，甚至有一些温度还算高，比如铜氧化合物的临界温度记录是134K，铁基超导的临界温度记录是55K，但是我们现在应用广泛的超导体依旧是传统的超导体，叫铌钛(Nb-Ti)。它是一种铌和钛的金属合金，柔性和韧性都非常好，好用，方便。”

他表示，工程应用上有很多非常细节非常复杂的问题，对材料要求是非常高的，“所以，大家一定要知道，并不是找到了一种室温超导体，就马上能用了，就立刻带来技术革命、能源革命。现在还远远到不了这个地步。”

超导的产业化：低温超导成熟、中高温超导发力

虽然现在并没有证据显示LK-99是室温超导体，但是超导产业的发展还在滚滚向前。目前低温超导应用最为广泛，商业化较为成熟，高温超导还在产业化早期阶段。目前研究超导的公司不少，但是真正能够专业量产的公司并不多，国内有西部超导、百利电气、联创光电、永鼎股份等厂商。

前述超导研究专家向记者介绍道，目前超导体一般划分为高温超导、中温超导、低温超导三种。其中，高温超导体是指临界温度高于液氮温度(77K)的超导材料。

这就要回顾1987年，彼时超导体物理学家朱经武和其团队成功发现了新超导材料钇钡铜氧化合物，将它的超导温度提高到93K(-180℃)，超过了液体氮的沸点，打破了高温超导的世界纪录。同样在1987年，中国高温超导研究奠基人之一赵忠贤及其合作者也发现了临界温度为92.8K(-180℃)的Ba-Y-Cu-O超导体(钇钡铜氧系材料)。

别看温度还是零下，这可是超导发展史上的重大突破。因为以往要用液氦制造低温环境，成本高昂，而液氮价格远远低于液氦，超导体在液氮环境下工作，能够大幅度降低冷却成本。并且空气中氮的含量约78%，原材料也充沛，据悉液氮的价格甚至比可乐还便宜，而低成本对规模化应用至关重要。

中航证券研究所的报告显示，我国在超导材料的研究方面已具备较好的研究基础，但高温超导材料的开发和批量化制备技术尚显薄弱，产业化进程落后于部分发达国家。

当前，国内的高温超导也在快速发展之中，比如2021年上海投建全球首条35千伏公里级超导电缆，可节省70%的地下管廊空间。民生电子的报告就指出，目前高温超导在感应加热、电力传输领域已得到初步应用，在可控核聚变领域应用的可行性得到证实，高温超导成本低、性能优，发展前景广阔。

再看低温超导体，它一般是指金属和合金超导体。中航证券研究所的报告显示，以铌基超导材料(NbTi和Nb3Sn)为主的低温超导材料具有优良的机械加工性能和超导电性，是目前最主要的实用化超导材料。目前全球超导市场以低温超导为主，国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上。

此外，中温超导体以二硼化镁(MgB2)、铁基超导体为代表，他们的超导温度在40K(-233.15℃)左右。其中铁基超导材料是在2008年发现的新型超导材料，日本东京工业大学的科学家细野秀雄的团队发现掺杂氟元素的LaFeAsO材料中存在26K临界温度的超导电性，掀起了铁基高温超导体的研究热潮。

国内在铁基高温超导领域亦有突破性建树，中国团队采用稀土元素替代和高压合成方法获得了高质量超导体样品，并在常压下测量得到40K以上的超导电性，突破了麦克米兰极限温度(理论最低温度，指常压下物质能够达到的最低温度)，经优化合成方式之后获得了55K的高临界温度世界纪录，在国际上引起轰动。

赵忠贤曾谈到铁基超导体的意义：“大家之前都认为，铁对超导是不利的，这种晶体结构体系我国之前也开展过研究，我们合成新材料时用铜而不敢用铁。报道(铁基材料)刚一出来就引起了中国科学家的重视，认为铁基超导是一个重大的突破。很快，中国科学家就把超导临界温度提高到43K、52K、55K，而且发现了一些新的铁基超导体。铁基超导体是对传统BCS理论的又一次挑战，这种材料中不仅蕴藏着丰富的物理现象，而且有新的应用价值。”

一次次的材料探寻都是全球科学家的努力尝试和严谨科研，超导作为物理学、材料学的最前沿，也在无数次失败和新的希冀中继续前行。尽管学界还未找到常压室温超导体、LK-99的材料属性尚未定性、研制了LK-99的韩国研究团队还发生了内讧，但是大众的目光已经聚焦到了科学基础研究领域。LK-99最终是乌龙闹剧、还是一次有价值的探索，让我们继续拭目以待。

(实习生朱梓烨对此文亦有贡献)