文|賀乾明

　　編輯|程曼祺 龔方毅

　　一隊韓國學者發(fā)布兩篇論文，宣布物理學領域重大突破，世界震動之余又將信將疑。一些同行試圖通過重復實驗或計算驗證可行性，也有一些學者提醒公眾別激動得太早。如今復現實驗有了新進展 —— 整體不樂觀，不過出現了積極的證據 —— 學界還在疑惑，資本市場已被點燃。

　　這就是過去十多天圍繞室溫超導突破的所發(fā)生的一系列事。

　　“往小了說是諾獎的工作，往大了說這是改變人類發(fā)展進程的研究。” 東南大學物理學院教授孫悅告訴《晚點 LatePost》，他從事超導研究十多年，經歷過四五次類似的室溫超導突破 “烏龍事件”，這次依然迅速跟進復現，“室溫超導的突破實在太重要了”。

　　這大概也解釋了為什么鮮有科學研究會像室溫超導這樣，一次又一次有研究團隊宣布取得重大突破，但很快又因為其他團隊無法復現成果被拋在一旁。可是只要再有研究團隊宣布新突破，仍會引發(fā)關注和跟進。

　　當韓國科學技術研究院在 7 月 22 日用相對完善的材料制作步驟、實驗數據和部分磁懸浮視頻，宣稱能在特定的室溫常壓環(huán)境中讓一種名為 LK-99 的材料實現超導時，人們的期待值再次被拉滿。

　　那些投入資源試圖復現研究的團隊，主要期待能在 127°C 以下的室溫常壓中，檢測出樣品同時存在兩種特性：

　　零電阻。就好比有一條河，水在河里流動會遇到石頭、樹枝等障礙物，就像電流在導線中流動會遇到電阻。河里的障礙會讓水流速度變慢并產生渦流，同樣，電阻也會讓電流變慢并產生熱量，這意味著電能會損耗。而超導體中電阻會消失。

　　完全抗磁性。普通的材料放進磁場中，磁力線通常會穿過它們。但超導體能完全把磁力線彈開。如果你在磁鐵上放一個超導體，超導體會被推開并懸浮在空中。超導體隔絕磁場的時候，也讓外部的磁場變得更強，幾乎沒有能量損耗。因此超導體通常被拿來做超級磁鐵。

　　憑借超導體零點阻、抗磁性的特性，科學家們造出了核磁共振儀器，并有效推進了可控核聚變、量子計算機等前沿技術研究?，F在想讓這一切發(fā)揮作用得花費巨大成本創(chuàng)造極低溫（-269 °C~-196°C）的環(huán)境。醫(yī)院的核磁共振儀里灌著售價數十萬的液氦，維持極低溫，隔幾個月還要定期補充；超導量子計算機僅降溫設備就得花幾百萬甚至上千萬元。 

　　如果室溫超導能成真且大規(guī)模推廣，就能使超導材料和應用不再昂貴，同時使一些現在的不可能成為可能。從建設更有效率的電網，到讓更多病人用上便宜的核磁共振檢查，讓時速 600 公里甚至更快的磁懸浮列車可能會像高鐵一樣普及，可控核聚變、量子計算機的開發(fā)難度會隨之下降。

　　樣品沒復現超導特性，計算模擬顯示 “可行”

　　過去這一周，孫悅教授和他的團隊成員只能在實驗間隙短暫休息下。從看到韓國團隊的論文開始，他們便行動起來，采購材料、按照韓國研究團隊公布的實驗細節(jié)復現研究，忙的時候一天要工作超過 20 個小時。

　　“論文中還是會有前后矛盾和模糊不清的地方，比如 ‘前驅物’ 燒結（一種材料加工方法），開始論文中稱在空氣中，但配圖里展示的是真空；按照他們給出銅和磷元素配比，無法做出來前驅物。” 孫悅說。

　　他們憑借過往的研究經驗，在模糊的地方做了不同嘗試，兩兩組合了 3 對設置，包括不同燒結環(huán)境（真空或有空氣）、兩種不同材料配比和兩種不同的燒結時間（10 小時或 20 小時），最終做出了 8 個樣品，借助 “X 射線衍射” 分析后發(fā)現，“結構與韓國團隊基本完全一致”。

　　遺憾的是，他們沒能發(fā)現樣品是超導體的跡象——幾乎沒有抗磁性，更不用說懸浮了。北京航空航天大學材料科學與工程學院、印度國家物理實驗室等團隊得出的結論與孫悅團隊類似。

　　但有一些團隊，比如華中科技大學材料學院的團隊復現取得了一些進展。其團隊成員 8 月 1 日在 B 站上發(fā)布的視頻顯示，當用一塊磁鐵從下方接近樣品材料，它會 “立起來”，展現出了與 LK-99（摻雜銅的鉛磷灰石） 類似的抗磁性特征。

　　但這種特征并不能確定它是不是超導材料。視頻里也沒有呈現電阻測試的結果。“只有一片幾十微米大小的樣品，測電阻會破壞樣品，正在做新一批樣品。” 華中科技大學的研究者說。

　　直接燒樣品做復現之外，另有一些研究者用超級計算機模擬，看新材料為室溫超導體的可能性。同樣是在 8 月 1 日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員西尼德·格里芬（Sinéad M。 Griffin）在 arXiv 上發(fā)布論文，聲稱用美國能源部的超算對 LK-99 材料模擬運算，認為它具備現實世界中室溫超導材料具備的性質。

　　現在還沒有團隊真正復現出韓國團隊宣稱能實現室溫超導的材料?？茖W家們的質疑聲同樣此起彼伏，認為韓國團隊做出來的可能只是 “室溫環(huán)境下具備微弱抗磁性的材料，并不是超導體”。

　　但這一次針對韓國團隊研究的復現與此前幾次室溫超導研究相比，情況已經好了一點。這種微妙的變化也讓資本市場興奮起來，A 股市場多支超導概念股票連續(xù)兩天漲停，美股美國超導一天漲了 60%。

　　韓國的研究者還在增加更多實驗過程的信息，他們接受采訪時提到實驗過程中石英管破裂的情況。“高溫氧氣什么時候進入？會不會有催化作用？” 一位清華大學物理系教授認為這些因素可能會直接影響樣品燒結的過程。

　　新的信息出現，新一輪的復現研究也在繼續(xù)。針對石英管破裂的信息，孫悅還會繼續(xù)調整試驗過程，比如在燒結樣品時的不同階段加入氧氣、空氣，模擬破裂造成的影響。他也在考慮嘗試不同的冷卻方式，第一輪燒結 8 個樣品時，他們選擇讓樣品慢慢冷卻，之后可能會嘗試在高溫時直接淬火，這可能也會影響樣品的特性。

　　關于韓國這項室溫超導研究還有一個變量來自研究團隊本身。該研究的主要作者之一李碩裴（Sukbae Lee）接受韓聯社采訪時稱，研究團隊其實尚未準備好發(fā)表論文，是同事未經其他作者同意下擅自發(fā)布，團隊目前正向 arXiv 要求下架論文。截至發(fā)稿，該論文尚未下架。

　　一個希望和失望反復上演的領域

　　1911 年，荷蘭物理學家海克·卡默林·翁內斯（Heike Kamerlingh Onnes）借助 −269 °C 的液氦發(fā)現超導這個神奇現象后，研究者們就開始用極低溫這個 “工具” 挨個實驗元素周期表上的材料，發(fā)現只要溫度夠低，大多數元素都能超導，而且具備物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Meissner）等人在 1933 年發(fā)現的抗磁性特征。

　　但很快瓶頸就出現了，研究者們意識到，他們發(fā)現的材料實現超導的最高溫度都在 -243°C 以下。就像現在許多研究者宣布找到了室溫超導材料一樣，當時有不同的研究團隊宣布找到了臨界溫度更高的超導材料，但也難以被復現。

　　-243°C 成了當時科學家普遍認為的極限，它像一張玻璃穹頂籠罩著行業(yè)，使許多研究人員認為此路不通，甚至轉行，超導研究一度陷入低谷。

　　直到 1986 年，人類發(fā)現超導現象 75 年后，IBM 的研究人員格奧爾格·貝德諾茲（Georg Bednorz）等人靠陶瓷材料打破了超導的溫度限制，開啟了 “高溫超導” 研究時代。

　　所謂的高溫超導其實也只是相對 “高溫”，這些超導材料需要的最高溫度仍在零下 -196 °C。但近 50 度的溫度差帶來了一大好處，超導材料的冷卻工具變成了液氮，它比最初用作冷卻超導材料的液氦便宜了超 90%。

　　這次突破的更大意義還在于，它打破了研究人員心中的自我設限，使更多人敢于追逐比高溫超導更有野心的目標：“室溫” 超導體。

　　室溫又比 “高溫” 的溫度范圍高了一大截，它指地球上的正常環(huán)境區(qū)間，行業(yè)通常默認是 27℃ 。最近這十多年，多個實驗團隊宣稱實現了室溫超導，甚至還有研究者和團隊發(fā)現了兩次：

　　2016 年，德國萊比錫大學的一個團隊在《新物理學報》（New Journal of Physics）上發(fā)表論文，稱在巴西的一個石墨礦里找到了室溫超導體。

　　2018 年，印度科學理工學院的一個團隊在 arXiv 上發(fā)布論文，宣稱發(fā)現了室溫超導材料，并公布了一些實驗數據。

　　2020 年、2023 年，羅切斯特大學物理學教授蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）兩次在《自然》（Nature）上發(fā)表論文，宣布找到了室溫超導材料，但需要高壓環(huán)境。

　　中國科學院物理研究所研究員羅會遷在《超導 “小時代”》一書總結了這些 “室溫超導體” 研究的共性：“很難經得住推敲和考證，它們很難被重復實驗來驗證——有的根本沒有公布成分結構或者制備方法，有的實驗現象極有可能是假象，有的實驗數據極有可能不可靠。”

　　最后的結果就是，這些所謂重大突破被拋在一旁。比如蘭加·迪亞斯 2020 年發(fā)表在《自然》雜志上的論文因為同行質疑太多被迫撤回。

　　希望與期待還是更多一些

　　“為什么室溫超導這么難？” 聽到這個問題后，孫悅沉默了一下，說：“我也不知道。”

　　這可能就是室溫超導體研究最難的地方，哪怕是資深的研究者都沒有什么好的研究思路，因為人類迄今還沒有完全理解超導體的原理。

　　與量子物理研究相比，超導體研究過程中，理論研究時常落后材料的發(fā)現。翁內斯發(fā)現超導現象后數十年，研究者們都很難理解這些元素為什么在極低溫狀態(tài)下沒有電阻。

　　愛因斯坦、海森堡、波爾、泡利等量子物理領域的頂級物理學家都嘗試過提出解釋超導現象的理論，最后均無功而返。直到 1957 年，物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、萊昂·庫珀（Leon Cooper）等人提出的 BCS 超導理論才對超導有了微觀層面上的解釋力，并得到同行認可。而隨著高溫超導體發(fā)現，這個理論局限性也展現出來。

　　“某種程度上說，它們甚至超出了物理學家目前的認知和掌控能力。” 羅會遷在書中寫道：“一萬個理論物理學家，就有一萬套高溫超導理論，哪怕數據其實只有一份。”

　　這意味著，高溫超導尤其是室溫超導研究是一個充滿偶然發(fā)現的過程?，F在幾類重要的超導材料，如銅基超導和鐵基超導，都是由非超導研究者在其他研究中無心發(fā)現。許多人調侃尋找室溫超導體就像 “煉丹” 一樣，并非沒有道理。

　　不過在尋找材料的過程中，研究者們也會借助一些輔助工具，就像超導現象剛發(fā)現時的 “極低溫”，在研究高溫、室溫超導體時，研究者們也找到了新 “工具”——壓力。

　　“不超導的材料，壓一壓，也許就超導了。已經超導的材料，壓一壓，也許臨界溫度提高了。對于高溫超導體，再壓一壓，也許溫度上限就突破紀錄了。” 羅會遷在書中總結。

　　到目前為止，借助壓力這個工具做出來室溫超導材料的只有蘭加·迪亞斯的團隊，但沒有同行能夠復現他們的研究。


　　充滿困難但可能會改變世界，室溫超導體也成了科幻作品的素材。電影《阿凡達》的設定中，潘多拉之所以能夠吸引地球人類的注意力，關鍵原因是那里有大量室溫超導材料。

　　在地球上，研究者能否發(fā)現室溫超導體，會怎樣發(fā)現它，現在仍然是未知的?？梢源_定的是，人們時刻對它保持期待，并有研究者前赴后繼、想盡辦法去找到它。

　　在這個過程中，就像這些年屢次掀起的復現熱潮那樣，每一次新的可能性出現時，即使是持懷疑態(tài)度的謹慎研究者，也不會愿意缺席。

　　畢竟，沒有太多理論能幫研究者找到它的另一面，也意味著沒有理論確定找不到它。

　　室溫超導也是一個足夠重要，值得為之付出巨大嘗試努力的方向。它會是一把打開一連串寶箱的鑰匙。

　　對能大規(guī)模應用的超導材料長達百年的追逐，反應著人類特性中光亮的一面：即使希望與失望反復發(fā)生，希望和期待還是更多一些。