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室温超导爆了!超导:关于无损世界的最佳想象

技能 dewbay 7个月前 (08-03) 327次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码
室温超导爆了!超导:关于无损世界的最佳想象

导言

室温超导因其具有改变许多技术的潜力而受到吹捧。例如它可以实现完美高效的电网、悬浮列车、商业上可行的聚变反应堆等等。

几十年来,科学家们一直在寻找可在室温下工作的超导体。室温超导作为物理学家们追求的终极目标,将极大地促进科技进步,并迎来超导产业的爆发。

上周韩国团队在发表了未经同行评审的论文宣称实现室温超导后,业内一片哗然。研究人员在新的预印本论文中表示,一种叫做 LK-99 的铅、铜、磷和氧的化合物,在高于 400 开尔文的温度和环境压力下可以成为超导体。目前大多数超导体还只能在低于 200 开尔文的温度下实现。

团队还提供了一项迈斯纳效应测试视频,让超导物体悬浮起来。不过这引来业内人士的嘲讽。“超导体并不是唯一可以漂浮在磁铁上方的物体,石墨烯也可以悬浮。”一位关注室温超导的物理学家在朋友圈评论称。

然而,在论文引起国际关注后,该研究团队的一名成员李硕裴近日在接受媒体采访时称,论文存在缺陷,研究团队并未准备好发表论文,但团队中一名成员在未征得其他作者同意的情况下,就擅自发布了论文,团队目前已要求下架论文。

本期,让我们一同走进超导的世界,浅聊理论框架与实验过程的同时,不妨也畅想下瑰丽绚烂的无损世界。以及,人类真的能抵达一个毫无磨损与消耗的世界吗?

本文逻辑:

01  无损世界

02  两个条件

03  矛盾的结果

04  质疑的声音

05 无损世界会来临吗?

(正文 5269 字,阅读时间 7-9 分钟)

01

无损世界

一句话解释室温超导的重要性,那就是它将颠覆现有人类对电的利用方式,这甚至比能源领域的革命更深刻,因为不管什么能源,最终还是以电能的形式输出的。

因此,韩国人宣称的室温超导材料吸引了全世界的目光。一百年多年来,凭借超导拿到诺贝尔奖的人科学家有十位,他们有的发现了超导现象,有的部分解释了背后原理,但室温超导比所有上述这些意义都要重大的多,因为它是历史上第一次,在普通人的日常环境下实现了过去只有在实验室极端苛刻的情况下才能实现的技术——这不是人类第一次在室温下实现超导,但却是第一次在正常大气压力下做到这一点——过往的超导技术往往需要极低的温度或者施加上百万倍的大气压力才能实现。

更何况,论文中介绍的制作方法异常简单,有人戏称在家就能实现,因此这种室温常压超导材料一旦被证明是真,也就意味着人类可以十分便捷地生产,并且在地球的任何环境下自由运用这项技术,整个世界的运作方式都将因此被完全颠覆——一个无损的世界就要来了

人类目前构建一切能量体系的方式都基于一种理解——能量会有所损耗。这非常符合人的常识与直觉,任何事物,甚至生命,它们的能量其实一直都在持续地损耗,只不过有些迅速,有些缓慢。

换而言之,世界是有磨损的

因此,远距离电力运输需要通高压,太低的电压,电流还没有传递太远就会被损耗殆尽。精密计算所用的芯片,从手机到量子计算机都需要充分的散热,因为一部分的损耗会以热能形式传递出来。电动车的电池也是如此,再高妙的设计也做不到让电池的续航与寿命实现飞跃式的提升——磨损在每一次充放电过程中产生,最终会让电池完全失能,这几乎已经成为了定律。

超导会改变这一切,前提是它能够实现。

02

两个条件

所谓能够实现,一方面指它技术上成立,另外一方面则说的是在实际中可以大规模运用。如果只存在于实验室,受限于各种条件的话,这项技术的前景就会大打折扣。

1911 年,荷兰科学家昂内斯发现零下 269 度时液氦冷却汞的电阻消失了,由此开启了人们对超导现象持续百年的探索。同人们印象中不同,目前为止关于超导为什么发生人类并没有完全弄明白,大致的理论框架是,电子会在某些非常特殊的条件下以特殊的方式配对,从而不受干扰地实现在导体内完全自由流动。

在过去,实现超导一定需要极低的温度和极高的压力,因为这样可以尽可能减少金属离子的震动,让电子畅通无阻地通行。尽管后来,有关超导的理论不断发展,实现超导所需要的极低温度也逐渐升高,但室温常压超导甚至缺乏一个公认的解释框架。

也就是说,直到高丽大学的这篇论文出现前,没有人能让超导现象在日常环境中实现

韩国团队发现的名为 LK-99 的物质是一种黄铅矿和磷化亚铜的化合物,论文宣称,在 127 摄氏度以下,LK-99 能够作为超导体来使用。在和论文一起公布的视频里,LK-99 在常温常压的环境下在磁铁的两级都产生了悬浮效果,这种磁悬浮现象看上去像一种抗磁性,而抗磁性(你也可以叫它迈斯纳效应)正是判断是否为超导体的一个必要不充分条件。

室温超导爆了!超导:关于无损世界的最佳想象
第一篇论文中展示的 LK-99
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第二篇论文展示了 LK-99 的悬浮

另一个条件是零电阻,即电流可以畅通无阻地通过超导体而不发生任何损耗。

电阻是电学的一个基本概念,几乎所有的物质都有电阻,绝缘材料由于电阻极高,因此“显得”完全不导电,而所有的导体也可以按照电阻大小排列出性能等级,就好像输电线路多用铜,而有些昂贵精密的芯片则使用银和铂金,后者电阻更小,换而言之,能量传递效率更高,而由于根本没有电阻,超导的能量效率是最高的。

迈斯纳效应和零电阻,是判断超导体的两个指标。LK-99 的出现,哪怕仅仅是抗磁性,已经足够全世界激动起来。由于制备 LK-99 的过程看上去非常简单,已经有大量的机构开始复现这一试验。

但它们的结果充满矛盾。

03

矛盾的结果

东南大学孙悦教授在 B 站公布了室温超导复现实验的全流程,结论是没有看到任何可能是超导的信号,生产的样品和磁铁没有任何悬浮现象产生。

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Bibili 账号科学调查局视频截图

北航则于 31 日在 arXiv 上提交了论文,同样宣称没有发现 LK-99 的超导性,特别是他们对比了韩国团队的 X 射线衍射图谱,确认其制备出来的同一种东西。印度国家物理实验室也同样没有观察到磁悬浮或电阻为零的现象。

与之相反,华中科技大学的博士们则宣称“首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体”,公布的视频中 LK-99 晶体靠近磁铁时会立起来,虽然不是真正的“悬浮”,但它的角度比原视频中样品的磁悬浮角度更大。另一个成功复现了磁悬浮的是来自知乎的“半导体与物理”账号,他发布的视频中,样品的一端在靠近磁铁时也会出现抬升。

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Bilibili 账号关山口男子技师视频截图

为什么会出现这种互相矛盾的结果?

首先,需要明确的是,即使出现了磁悬浮现象,也不能够确认 LK-99 就是超导体,因为它的零电阻性还没有得到证实。

其次,之所以出现矛盾的结果,恐怕和 LK-99 的制备方法有关。在韩国团队的论文中,相关的制备方法虽然完整,但仍有语焉不详之处,最明显的一点是,将原料放入石英管中时究竟需不需要真空?

出现这种疑问,一方面是因为论文在此处出现了互相矛盾的说法,另外一方面则是有人扒出,早在 2017 年,韩国团队第一次发现表现出“独特磁性”的物质时,就意识到它的产生其实是由于实验时石英管意外破裂导致的,在此之前,相关实验进行了 18 年都没有任何进展。

对实验步骤的细节疑问还更很多,一般来说,确定生成的物质到底对不对,需要用到 X 射线衍射图谱对照确认,但值得注意的是,目前公布的结果中,凡使用了 X 射线衍射图谱对照确认是相同物质的,都没有观察到任何超导性。

然而,除了复现实验结果外,还有人从理论上支持了 LK-99 是超导体的可能性。美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究院在 arXiv 发表了一篇论文宣称在 LK-99 上发现了费米能级的孤立平带——具体原理过于复杂就不解释了,只需要知道他是超导晶体所具有的特性标志就行。

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上面所有这些互相矛盾的结果,非但没有平息,反而放大了围绕这篇论文的质疑。

04

质疑的声音

当然,有质疑是好事,起码证明热度确实高。

所有质疑中最明显的一点是,论文提出的制备路数显得有点太过儿戏了

过去凝聚态物理界对室温超导的研究很多,他们的成果大多是围绕氢化物材料展开的。比如 2018 年,科学家在 190 万个大气压下让十氢化镧实现了室温超导。今年 3 月,涉嫌数据篡改而被《自然》撤稿过的罗切斯特大学物理学家 Ranga Dias 在 1 万个大气压下实现的室温超导的镥氮氢材料,同样还是一种氢化物。

而 LK-99 是一种掺杂铜的铅磷灰石化合物,这么说起来有点难懂,但简单一点,你可以理解为它就是一种铅磷灰石,换而言之,一块石头。石头不仅导电,而且还超导?要知道,铅原子相对来说比较重,传统上认为它会抑制,而不是促进电子的配对——而电子的配对是发生超导现象的前提。

另外制作 LK-99 的方法也显得十分,甚至是过于平常了,虽然不至于到有高中物理化学知识就能做的程度,但起码是很容易在实验室复现的,这也正是大家一拥而上去抢着复现的原因,没办法,门槛太低了。这过低的门槛就像是在家里后院土法炼钢结果最终还真做出来了飞机大炮一样,怎么听都觉得有点民科那意思对不?

实际上有不少物理学家就是这么觉得的。在论文刚上热搜时《科学》采访了几位物理学家,他们对这篇文章的印象正是缺乏细节,数据草率(sloppy),乍一看像一个真正的物理爱好者做的——这几乎就是在直接说他们是民科了。

至于在某几个实验中,LK-99 表现出来的抗磁性,根据品玩从多个渠道得到的消息来看,也有值得商榷的余地,立起来,而不是稳定悬浮的 LK-99,既可以解释为它具有抗磁性,也可以解释成其中存在不均匀的磁性物质,而正是由于分布不均,才会一侧自然翘起——要知道,超导体的磁悬浮具有被称为磁通钉扎的特性,也就是说,悬浮应该是稳定的,而不是一头高一头低。

而美国劳伦斯伯克利国家实验室的那篇论文,在许多业内人士看来,有点类似先射箭后画靶——通过计算模拟来观察特定材料或晶体结构是不是有潜在的超导特性,这是一个被广泛应用的论文思路,但劳伦斯伯克利国家实验室的这篇论文看上去是“顺着结果倒推了原因”,距理论证明尚有很远的距离,充其量只是参与了讨论。

“这个思路是有意义的,但在这个时候被过分放大了。”一位和品玩讨论这一问题的学界人士表示。

上述这些质疑所形成的舆论,最终导向了阴谋论:韩国人是不是在学术造假?

从目前的情况来看,刻意造假的可能应该可以被排除,毕竟确实有人复现了实验结果,论文和视频不可能是完全捏造的,而 LK-99 即便不是超导体,也有可能是一种在室温常压下的抗磁性材料,这同样是个重要发现,不过相比超导来说意义就小得多了。

更何况,我们并不能因为 LK-99 看上去路子野、“像民科”就持全盘否定态度。在大部分人并不看好的道路上诞生重大成果这种事在历史上屡见不鲜,不要说别的,材料学上就有经典案例——石墨烯的诞生就是科学家用胶布贴在石墨片上一下下撕出来的。

05

无损世界会来临吗?

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看起来,最终确凿判定 LK-99 是不是超导体,恐怕还需要一些时间。有人甚至认为这就是韩国团队着急公布这项技术以至于还发生了内讧的原因(同一天先后有两篇基本一样的论文发布了出来,它们的作者并不完全相同,显然是有人想要争取率先发现这一材料的荣誉),因为他们自己可能也在大规模复现这个实验上出现了困难。

这种阴谋论的证据之一是,早在几个月前,LK-99 就注册了专利,有鉴于室温超导的巨大价值,如果可以成功批量生产 LK-99,恐怕不会有人痛痛快快公布制备的方法,之所以现在公布了出来,显然是制备方法有问题,与其自己解决,不如大家集思广益。

韩国团队论文的作者之一、美国威廉与玛丽学院物理系教授 Hyun-Tak Kim 曾对媒体表示,LK-99 或许在一个月内就会被复制,团队成员会对制作的过程提供指导,因此眼下或许还要静静等待子弹再飞一会。

掀起这么大的波澜,实在是因为超导的前景太过光明,此刻不妨让我们再度回到文章最开始那个无损世界的想象中去。

一旦室温常压超导实现,那么所有的电网都将变得极为简单,只需要用超导材料传输电流即可,不再需要变压器等所有变电设备。芯片不用再顾及发热的问题,手机也可以拥有小型超算的能力,量子计算机也不用在低温环境工作——算力瓶颈从此被突破,数字技术迎来大爆炸

由于没有损耗,超导材料可以制作能量密度比目前任何电池都大得多的储能设备,只需要很小的电池就能支撑电动车跑一个月甚至更多,再夸张一点说,超导线圈可以让无线电传输效率达到 100%,未来甚至连充电装置都不需要了,到处将遍布无线充电。交通工具上,磁悬浮列车将成为常态,电磁弹射作为交通工具,可以用比飞机更快地速度在全球穿梭。

人类对能源的利用也将步入新阶段,可控核聚变需要的巨大的相当于地球磁场几十万倍的强磁场环境可以用超导材料来实现,这样其内部几千万乃至上亿摄氏度的等离子体会被成功约束——可控核聚变进程由此将大大提前。

对无损世界的想象看上去丝毫不逊于最奇崛瑰丽的科幻电影,也正因如此,有些人甚至对此充满怀疑——它实在是过于挑战人类的常识了,人类真的能抵达一个毫无磨损与消耗的世界吗?

最近有关超导的讨论中,B 站上有人引用了费曼的一句话:我们正在非常精美的水准上取得对自然界的控制。这是费曼《物理学讲义》倒数第二段的一句话。如果室温常压超导真的实现,不知这位物理学巨匠是否依旧认为人类处于对自然界控制的精美水准上?亦或,我们已经向着更高的水准迈出了决定性的、无法回头的一步?


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