“超导”的前世今生，这回你懂了么？

“超导”的前世今生

近来，韩国一研究团队在著名的预印本网站arXiv 上发文宣称：发现了全球首个室温超导材料 ——“改性铅磷灰石晶体结构（LK-99）”。

一石激起千层浪，刹那间全球懂“超导”和不懂“超导”的人们，齐刷刷地将目光聚焦这个韩国研究团队的文章。由于，这个韩国团队对自己的论文足够自信，也想向世人证明自己的实验的可信度，在论文详尽地描述了实验过程，使得全世界的凝聚态物理学家们，纷纷摩拳擦掌，誓要“复现”或“证伪”该“超导”现象。

那么，问题来了，何为“超导”？

超导（Superconductivity）是某些材料在非常低的温度下，电阻突然消失，电流可以无损耗地无限期流动的现象。这种现象最早在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林·奥涅斯发现。

他发现，当他将汞冷却到接近绝对零度（-273.15°C，或零度开尔文）的温度时，电阻突然消失了。这是一个惊人的结果，因为在这之前，物理学家普遍认为，无论温度多低，导体的电阻总是有一个固定的非零值。

奥涅斯和他的团队在低温物理学的研究中已经取得了许多重要成果，包括液氦的制备。超导现象的发现，使他在1913年获得了诺贝尔物理学奖。这个发现开启了超导科学的新篇章，这个领域的研究者在之后的一个世纪里一直在探索超导性质的深层秘密，包括其产生的原因、可以显示超导性的材料类型等。

超导有两个主要特征

1.零电阻：在转变为超导状态时，超导材料的电阻会突然下降到零，这意味着电流可以在没有任何能量损失的情况下流过超导材料。这一特性在需要大量传输电流的应用中非常有价值，例如在电力传输和大型粒子加速器中。

2.迈斯纳效应（Meissner effect）：这是超导材料在超导状态下的另一个关键特性，即完全排斥磁场的能力。当超导材料被冷却到超导温度以下时，它会排斥其内部的所有磁场。这种效应可以使超导材料“悬浮”在磁场之上，这一现象在高速列车和其他磁悬浮应用中具有重要的应用。

接下来，了解一下超导材料发现的几个重要阶段。迄今为止，全世界的物理学家对超导的研究一直是方兴未艾，尽管还没有实现室温室压下超导材料，但已有十人因它获得了五次诺贝尔物理学奖。

• 1911年：海克·卡梅林·奥涅斯首次在汞中发现超导现象，这标志着超导物理学的诞生。他在实验室制造出了比任何人都要低的温度，并且在这个过程中，发现了一种新的物理现象：当汞被冷却到4.2K（即接近绝对零度）时，其电阻突然完全消失。奥涅斯凭借在低温物理学方面的开创性工作，包括超导性的发现，赢得了1913年的诺贝尔物理学奖。

• 1933年：瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥森费尔德在实验中发现了超导材料在其临界温度下完全排斥磁场的现象，即迈斯纳效应。这个发现提供了一个判断材料是否处于超导状态的实用标准，并且证明了超导现象不仅仅与零电阻有关，还涉及到电磁特性的变化。

• 1957年：巴丁、库珀和朔利夫提出了BCS理论，这是第一个成功解释超导现象的微观理论。他们发现，在低温下，接近零动量的电子对（库珀对）可以通过与晶格中的声子相互作用而形成，并以无阻力的方式在材料中传播。这一发现对理解和发展超导科学产生了深远影响，并使得三人在1972年共同获得了诺贝尔物理学奖。

• 在1973年，两位科学家分别在不同领域中独立发现了“隧道效应”：江崎玲於奈（Leo Esaki）是日本的物理学家，在1958年的研究中首次预言了隧道效应。然而，他在1973年并未获得诺贝尔奖项，而是在1973年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他对新型半导体器件——隧道二极管（Tunnel Diode）的发明和研究。贾埃弗（Ivar Giaever）是美国的物理学家，他在1973年获得诺贝尔物理学奖，是因为他在1960年代末和1970年代初的研究工作，成功证实了超导体中的隧道效应。他的实验证明了在超导体中，电子可以通过一个能隙（energy gap）而不是经过常规的能级，从而产生隧道效应。这对超导体物理学的发展有重要意义。

• 1986年：贝多尔和米勒在瑞士IBM的研究实验室中，首次发现了高温超导材料，这种材料在液氮温度（-196°C）下就能表现出超导性，而不是需要在接近绝对零度的液氦温度下。这种材料是一种铜氧层状结构的陶瓷，被称为镧-钡-铜氧（YBa2Cu3O7）。他们的这一发现开启了超导材料的新领域，因此他们在1987年获得了诺贝尔物理学奖。

• 在1992年，三位科学家分别因在超导体和超流体领域做出开创性贡献而获得了诺贝尔物理学奖：阿列克赛·阿布里科索夫（Alexei A. Abrikosov）：他是俄罗斯和美国双国籍的物理学家。他在理论物理学领域中做出了重要的贡献，特别是在超导体方面。他提出了一个理论模型，被称为"阿布里科索夫三重态"，用于描述超导体中的磁通线如何穿过超导材料。这项研究对于解释超导体的性质和应用具有重要意义。维塔利·金茨堡（Vitaly L. Ginzburg）：他是俄罗斯的物理学家。他在理论物理学和天体物理学方面做出了杰出的贡献。在超导体领域，他与谢尔盖·米克希尔（Sergei Mikheev）一起提出了著名的Ginzburg-Landau理论，用于解释超导体的临界现象和超导体的相变行为。安东尼·莱格特（Anthony J. Leggett）：他是英国和美国双国籍的物理学家。他的研究涉及凝聚态物理学和量子力学，特别是与超流体和超导体相关的问题。他在理论上解释了超流体中的超流性质，提出了一种解释低温下物质的量子性质的理论模型。

接下来，让我们一起来探秘一下，中国人对“超导”领域的贡献：

• 1987年，我国著名科学家赵忠贤院士团队首次在钇钡铜氧（Ba-Y-Cu-O）中发现了临界温度为93k（-180°C）的超导转变，实现高温超导体领域的重大突破。赵忠贤院士也因在这一领域的突出贡献，荣获国家最高科学技术奖。

• 2008年以来，以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠、靳常青、丁洪、任治安、陈根富等人为代表的中国研究团队，相继在铁基、铜基等高温超导上实现了突破，不断提高超导温度。

那么，近年来说到超导，不得不提以下几个人：

2017年，曹原在攻读麻省理工博士期间，他通过实验发现石墨烯的排列结构中具有非规超导电性的因子，据此推测出：当两层石墨烯叠在一起发生轻微偏移的时候，材料的特性会发生剧变，并因此表现出超导体的性能。经过六个多月的反复试验后，曹原最终确立起石墨烯传导的全方位理论。2018年3月5日，《自然》发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。曹原发现让石墨烯实现零电阻导电的方法，开创了物理学全新的研究领域，能源利用率与能源运输效率有望大幅提高。

在曹原之前，人们对于石墨(烯)是否具有“超导”效应，一直是模棱两可，无法肯定或否定。直到曹原的出现，一举攻克了一个困扰学术界百年的难题。

同年，2018年12月，他获得《自然》2018年度影响世界的十大科学人物之首。2020年5月6日，《自然》再次连发两篇关于魔角石墨烯新进展的文章。其中一篇，曹原是第一作者兼共同通讯作者，另一篇是共同第一作者。文章主要介绍了魔角特性推广到其他二维材料的研究。

在此之前，超导体研究的三大主流领域分别为铜氧超导体、铁基超导体、硼化镁超导体。石墨烯超导体的研究虽然很早便已开始，但是直到曹原这里才算是有了最大的突破。“魔角”超导石墨烯的发现算是为超导体的研究开辟了新的领域。

2020年10月14日，美国罗切斯特大学物理学家Ranga Dias和他的同事在Nature杂志上发表了一篇轰动整个物理界的成果，并登上了当期封面。他们声称发现了一种新型氢化物，在15℃的温度下可以观察到超导现象。“这是人类首次实现室温超导！”然而，这个具有里程碑意义的重磅研究在9月26日被Nature撤稿。对这篇文章长期以来的质疑终于暂时落下了帷幕。

此次撤稿非同寻常，因为Nature的编辑们不顾这篇论文全部9位作者的极力反对，采取了这一行动，可以说是非常决绝。

就在撤稿当天，Science新闻栏目对该事件进行了报道，称该研究“有严重问题”。

2023年3月8日，Ranga Dias教授研究组宣称，发现了一种近室温的超导材料，具体而言是一种Lu-N-H的三元化合物（Lu是71号元素镥，一种稀土金属，镥-氮-氢这名字听着很像“卤蛋清”），在21摄氏度和一万个大气压下就能实现电阻为零。然而，仅仅两个月后的5月11日，《Nature》杂志发表了一篇反驳性的文章。该篇文章来自中国南京大学闻海虎教授研究组，他们声称已经成功合成了与Dias研究团队所得材料非常相似（或者说可能是完全相同）的物质，但却未观察到超导现象的出现。值得一提的是，实际上，闻海虎等人的预印本在3月15日就已经在arXiv上发布，这比Dias的研究报告只晚了一个星期。

北京时间 7 月 31 日凌晨，该团队在预印本 arXiv上发表的《Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism》

文章作者之一、美国威廉玛丽学院物理系研究教授 Hyun-Tak Kim 在回复《每日经济新闻》记者时表示，其团队制造的 LK-99 室温超导材料或许可以在一个月之内被复制，其成员也会对任何制作 LK-99 遇到困难的人进行指导。“如果研究人员对我们的成果有疑问，他们就会质疑我们的研究成果。因此，我选择了公开 LK-99 的制作技术。”

紧接着，便出现了全球凝聚态物理学家，争相合成LK-99材料的场景；更有理论物理学家从理论计算证明，该材料理论上是有室温超导可能性的。内容如下：

实验验证

华中科技大学材料学院的团队复现取得了一些进展。其团队成员 8 月 1 日在 B 站上发布的视频显示，当用一块磁铁从下方接近样品材料，它会 “立起来”，展现出了与 LK-99（掺杂铜的铅磷灰石）类似的抗磁性特征。

但这种特征并不能确定它是不是超导材料，只能证明“迈斯纳效应”的存在。视频里也没有呈现电阻测试的结果。“只有一片几十微米大小的样品，测电阻会破坏样品，正在做新一批样品。” 华中科技大学的研究者说。

理论证明 

8 月 1 日，美国劳伦斯·伯克利国家实验室的研究人员西尼德·格里芬（Sinéad M. Griffin）在arXiv上发布论文，声称用美国能源部的超算对 LK-99 材料模拟运算，认为它具备现实世界中室温超导材料具备的性质。

至此，“超导”的复现工作，仍在全球各大凝聚态物理实验室中紧锣密鼓地制备着、测量着，韩国这个研究到底是不是“超导”，目前来看，不得而知，无法确定……目前看来，只能看后续的一系列的跟进报道了。

可想而知的是，如果后续报道证明了“室温室压超导”材料LK-99的确存在，那么基本上预定了一次的诺贝尔物理学奖，而且会很快。毕竟，“室温超导”被誉为物理界的“圣杯”。

后续如何，且看下回分解..