LK-99被证伪，“室温超导”为何经常闹乌龙？

来源：京报网
时间：2023-08-30 05:04:51

7月底，韩国一家初创公司在其未经同行评审的预印本论文中称，一种名为“LK-99”的铜、铅、磷和氧的化合物可以实现室温超导。这一消息迅速引发物理学界和产业界的关注，多国科学家纷纷尝试复制LK-99。日前，《自然》（《Nature》）杂志的一篇报道总结了国际上不同实验室的重复实验结果，指出LK-99不是室温超导体，并解释了这种材料出现类似超导行为的原因。名噪一时的LK-99终于尘埃落定，被认定为乌龙事件。

室温超导设想图视觉中国供图

室温超导一直是物理学家们期待抵达的高峰。在探索室温超导的百余年中，LK-99不是第一种被宣称实现室温超导的材料，也不是第一种在后续验证中陷入争议的材料。事实上，很多所谓的“室温超导体”最后都无法定论，物理学家们将其类比为不明飞行物UFO，称其为“不明超导体”USO（Unidentified Superconducting Object）。今天我们请中国科学院物理研究所的孙英睿、范朝辉来介绍一下什么是室温超导，为何它总是命运多舛？曾经的疑似室温超导体后来又如何了呢？

备受瞩目的“超导”究竟是什么

【资料图】

韩国研究团队打造的LK-99材料，让室温超导的概念又一次被推上风口浪尖。然而，在后续其他科学家的复现工作中，不管是实验还是理论计算，论文结果都大相径庭，有的论文给出了支持超导的几项证据，有的认为只是普通磁性材料，甚至是杂质的假信号。最终，经过数十次的重复，许多专家确信LK-99并不是室温超导体。

室温超导究竟是什么？为何能让科学界如此重视？这还得从超导现象的发现说起。

1911年4月8日，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯通过实验发现了超导现象，即导体在特定条件下（如温度、压强、磁场等）电阻为0的现象。昂内斯将汞放到液氦中冷却，结果发现被冷却到4.2K（-269℃）的汞突然没有了电阻。

在昂内斯观察到超导现象之前，物理学家们对于导体在接近绝对零度时的导电性质并没有一个统一的意见，有的物理学家甚至猜测电流在接近绝对零度的导体中会几乎完全停滞，也就是说导体的电阻会趋于无穷大，就连19世纪著名的物理学家、冠名绝对温标单位的开尔文勋爵也是这么认为的。显而易见，昂内斯的发现平息了关于导体在低温下会有什么性质的争论。后来，昂内斯获得诺贝尔物理学奖，发现超导现象正是其获奖的重要贡献之一。

超导其实是物质的一种特殊状态，它有两个最主要的衡量指标：临界温度和临界磁场，而它的特性是零电阻性和完全抗磁性，这样的特性让超导的应用前景十分广阔。例如，超导体电阻为零，可以无损耗地运输电力；它有完全的抗磁性，液氮超导磁悬浮就是很直观的表现；它可以很方便地按照电磁感应定律产生强大的磁场，用于医院里的核磁共振……但昂内斯观察到的超导现象，需要的温度是-269℃，如此低的温度意味着超导体基本没有任何日常实用的可能性。

如果想将超导体应用到现实中，那么必须有接近日常生活的工作温度和压强环境。因此，在确认超导现象存在以后，如何将产生超导的温度和压强推进到接近日常状态，即研究室温超导便成了物理学家们的夙愿。

无论如何，关于室温超导的一言一行如此受到广泛关注，与人们愈发意识到超导体的重要性及现代科学技术的发展分不开。

真正的室温超导材料尚未问世

尽管超导已经是物理学一个很细的分支了，但它还能分成更细的研究方向，如超导材料与物理性质、超导机理、超导应用等。其中大家最为熟悉的研究方向应该就是发现了新的超导材料并测定其简单物理性质，核心可以理解为“我合成了一个新的材料，它超导，测到的临界温度和临界磁场分别是X和Y”。

一般来说，发现新超导材料的论文会介绍合成出来的材料结构及确定结构的依据，如电镜、能谱和X射线衍射，以及磁性（即磁化率随温度的变化，由此可知超导的临界温度）、电阻、比热等。当其他研究人员看到结构和磁化率、电阻和比热的研究数据时，就会初步认可这是一种新的超导材料，并开展后续的验证。这就是近期许多科学家对于韩国LK-99研究结果进行重复验证的原因。

实际上，人类对室温超导的探索从未停止，在过去十几年里，不断有研究团队声称找到了室温或接近室温的超导体。

2020年10月，美国迪亚斯团队有一项“室温超导”成果发表在《自然》杂志上，声称绿色激光诱导合成的碳硫氢（C-S-H）化合物在267GPa压强（高压）下超导转变温度高达288K（14.85℃）。从此科学家讨论问题涉及超导时，都难免感叹一句：虽然压强高得离谱，但是室温超导终于要来了。

但遗憾的是，未等该实验被重复出来，迪亚斯团队的实验数据便被同行怀疑受到了更改和操控。作为同行之一的加州大学理论物理学家赫希经过仔细分析，先后发表两篇论文质疑批评该结果。经过长时间的拉锯，迪亚斯团队的论文最终在2022年9月被撤回。

在今年3月初的美国物理学会会议上，迪亚斯宣布又发现了室温超导体——高温高压条件下合成的镥氮氢（Lu-N-H）化合物在1GPa压强下即可实现294K（20.85℃）室温超导，相关论文同样发表在了《自然》杂志上。已经被上一个成果“忽悠”过的同行们对此持保留态度，静观其变。果然，这个研究结果不仅未得到广泛重复，还被不少验证性实验予以否定，如我国南京大学超导物理与材料研究中心的实验、中国科学院物理研究所的实验等。

在更早的时候，关于室温或近室温超导体的研究还有很多。例如，2018年，两位印度科研人员称将纳米银粉加入金纳米阵列中可以获得236K（-37.15℃）的超导电性，其数据被质疑，因为实验数据的噪音模式是一样的，这在真实的实验中是不可能的，后有印度学者出来辟谣称是“量子噪音效应”；2016年，科斯塔迪诺夫声称找到了转变温度为373K（99.85℃）的超导体，但是并未公布其组分和制备过程，以一种保密的姿态没了后续；2012年，有团队宣布经过纯水特殊处理的石墨粉在300K（26.85℃）常压下具有超导电性；2003年，有团队声称n型金刚石与电极、真空耦合后，能在常温常压下拥有超导现象……

据不完全统计，历史上声称发现室温超导（接近或高于300K，相当于26.85℃）的研究不少于7个，其结果不是未得到证实，就是论文被期刊撤稿。

虽然有这么多没有后续的“室温超导”事件，但也不必对超导的研究失去信心。从元素超导体到铜基，再到铁基超导体，科学家对超导的认识正在一步步深入。值得关注的是，目前在常压下，超导体Hg-Tl-Ba-Ca-Cu-O有最高的转变温度，为138K（-135.15℃），而在高压下，LaH₁₀材料的转变温度达到了252K（-21.15℃），这些都已得到广泛的实验验证。

辨别研究成果真伪缘何费时间

结合历史上的多次“室温超导研究”和此次韩国的“LK-99”事件，大家可能会感到困惑，一个材料是不是超导体难道不是一个“非黑即白”的问题吗？怎么还需要反复验证和经历时间拉锯呢？事实上，辨别真伪本来就不是一件简单的事。

新的超导材料要想获得认可，既需要作者给出令人信服的数据，又需要其他同行能够重复出同样的效果。打个比方，北京的超导材料在纽约同样应该超导，这是物理人执着的信念。

简单来说，要想确定一种新材料是否具有超导性，总需要用一台仪器对一块样品做点什么。因此，对疑似超导体的验证工作至少分为两个阶段：获得一块高质量的样品，对样品完成测试。

首先，制备样品就不容易。对于超导材料，“高质量样品”往往代表一块大小合适的干净单晶。用来测试的晶体，缺陷要尽可能地少，而杂质要几乎完全排除。晶界（指晶体内部不同晶粒之间的边界）杂乱无章且有大量杂质的多晶虽然容易烧结，但测试结果很难说服严苛的审稿人和同行。由此可见，仅是制备出能用的样品，就需要昂贵的高纯原料、复杂的烧结条件，以及经验和一些运气。

其次，就算获得了适用的样品，怎样用它测试出有说服力的数据同样不容易。常压超导的样品测试起来相对简单，但也有很多步骤。样品首先需要清洁、用细砂纸打磨——如果磨得轻了，样品表面的杂质没被剥离，会带来假信号；如果磨得重了，样品又可能直接四分五裂。几毫米长的样品磨好以后，还要并排粘上4根导电电极，用类似我们中学时学的伏安法电压表内接的方式测试电阻。电极要粘得平行等长，彼此还要留出足够的距离。从打磨到粘电极，这些在显微镜下进行的精细活儿都要迅速完成，不然样品若在空气中氧化变质，前面的工作就白费了。

相比常压超导，高压超导的验证更加困难。且不说上百万倍大气压强的实验条件本身就劝退了大部分实验室，单纯考虑测试技术就复杂到令人咋舌。比如，要想办法给样品均匀地施加并传导压力而不至于损坏；要将样品连同加压装置一起冷却、加磁场；要从加压结构中引出4根导线连接测试设备的电压表和电流表；还要压制复杂装置和极端条件产生的噪声信号……所以，高压超导着实有些命途多舛：金属氢超导的样品挥发，结果不了了之；临界温度200多K的碳硫氢虽然名噪一时，但终究撤稿；今年3月的镥氮氢化合物，也草草收场。

综上，验证超导体研究结果的真伪耗时良久，便不足为奇了。

超氢化物会是下一个希望吗

说了这么多，那室温超导体究竟会出现在哪种材料上呢？

目前在所有的超导材料中，理论上最有可能实现、研究也最多的，就是超氢化物。根据能够解释常规超导的BCS理论，超导体的临界温度Tc与构成超导体的原子质量M的平方根成反比。科学家由此想到，如果想要提高超导临界温度，尤其是接近室温，那么最好的方法就是利用最轻的元素“氢”。

要想将常压下沸点为-253℃的氢气变成固体的导电材料金属氢，就必须施加几百万大气压的压强。刚好，压强的提高也有利于超导临界温度的提升。于是，世界各地高压超导实验室的金刚石压砧里都注入了氢。但是，将气态氢压成固体，并保持稳定再完成测量，实在是太不容易了。几十年过去，直至今天也没有人成功制备出金属氢。

由于金属氢太难制备，科学家将目光转向了稀土氢化物。元素周期表上的镧系元素可以与多个氢原子结合成分子并相对稳定地存在，这种含有多个氢原子的化合物就被称为富氢化合物，如果分子中氢含量更多，就叫作超氢化物。其中，被研究得最多的材料是La-H体系。在高压下用激光照射按比例混合的单质镧和氢气可以得到LaH₁₀，这是目前实验验证的临界温度最高的超氢化物，它可以在165万大气压下实现大约252K（-13℃）的超导。随着研究的深入，超氢化物将逐渐受到关注，有可能刷新高压超导的临界温度纪录。

我们相信，随着实验技术的进步和基础理论的突破，未来还会有更多的“室温超导材料”出现。或许，有的“室温超导材料”最终被证伪；又或许，常压室温超导根本就不存在。但毋庸置疑的是，如果室温超导真正实现，一定会为世界带来巨大改变，如输电损耗显著下降、CT和磁悬浮列车等成本降低、可控核聚变装置设计大幅简化等。凡科学探索，必然道阻且长，人类对温和条件下超导的探索不会停止，这是科学的期盼，也是科学的追求。

（专业审核：中国科学院物理研究所罗会仟研究员、刘淼副研究员）

来源：北京日报客户端 | 记者汪丹

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