韓國“室溫超導”爭議疑云始末｜鈦媒體焦點

2023-08-03 02:15:42 來源：互聯網

低溫超導體現象過程展示

（圖片來源：羅切斯特大學）

(資料圖片僅供參考)

▎歷經192個小時的“室溫超導”爭議和反轉背后，室溫超導技術將引發一場產業革命，新能源、量子計算等重要領域都會因此有飛躍式的發展。

作者｜林志佳

編輯｜李小年

本文首發于鈦媒體APP

ChatGPT大模型熱度剛剛下降，韓國、美國和中國的科學家們又因“室溫超導”技術話題激起了科技圈新一輪的爭議與關注。

北京時間8月1日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）團隊在arXiv平臺提交了一篇題為《銅取代磷酸鉛磷灰石中相關孤立平帶的起源》論文，利用超級計算機模擬發現銅取代磷灰石中的鉛時引起結構畸變，其結果支持一周前韓國科研團隊發現室溫超導體LK-99晶體的實驗成果，晶格參數與此前實驗結果相差1%。

這是全球首個證實“常溫常壓超導體”理論可行的相關論文，為“室溫超導”材料的技術研究提供了新的方向和啟示，有望推動千億規模的室溫超導產業應用發展。

一周前，韓國科研團隊利用摻雜銅的鉛磷灰石材料LK-99晶體稱實現了“室溫超導”現象，學術界則對此爭議頗多，多個團隊進行“復現狂潮”以證偽。

除了美國團隊之外，8月1日下午，中國的華中科技大學材料學院團隊也成功首次驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體，俄羅斯科學家Iris Alexandra也成功復現，但印度國家物理實驗室團隊兩次復現均失敗，中國科學院物理所、華中科技大學另一團隊實現了未經證實的部分復現。

早在2020年《科學》雜志發文稱，“終于，室溫超導實現了”，但在之前，美國迪亞茲的“室溫超導”實驗卻都無法實現復現，整體是失敗的。（注：詳見前文：《全球熱議“室溫超導”新突破，一場新的能源革命要來了？》）

值得一提的是，8月2日有消息稱，韓國“室溫超導”論文作者李碩裴（Sukbae Lee）表示，論文存在缺陷，系團隊中的一名成員、Young-Wan Kwon教授未經其他作者許可擅自發布，目前團隊正向arXiv要求下架論文。

有趣的是，ChatGPT之父、OpenAI CEO Sam Altman則直接發文吐槽：一個月前大家關注的是馬斯克（Elon Musk）和馬克·扎克伯格的社交軟件爭斗，而現在，人們卻因可能將擁有一個真正的室溫超導體而驚呆了。

受此消息影響，資本市場相關概念股似乎已經提前“沸騰”了。8月1日美股，風力渦輪機電子控制系統公司美國超導（NASDAQ:AMSC）一度漲超100%；而國內超導個股永鼎股份、法爾勝、百利電氣上漲20%觸及漲停板。

歷經192個小時的“室溫超導”爭議和反轉

公開資料顯示，室溫超導體全稱為超導電性，又稱常溫超導體，是指可以在高于0攝氏度的溫度有超導現象的材料。而超導體的一個特性是“零電阻”，亦即電流通過時，沒有因為受到任何阻力而導致損失，因此，這是一種革命性的材料。

多年來，尋找一種無需極低溫或者極高壓就可以使用的超導體是超導界的一大夢想。

1908年，荷蘭物理學家昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功液化了氦氣，并獲得了接近絕對零度的低溫4.2K（約-269攝氏度）。

1911年，昂尼斯等人用液氮冷卻金屬汞時發現，汞的電阻在溫度降至4.2K左右時急劇下降至消失，具備完全導電性，1913年昂尼斯又發現錫和鉛也和汞一樣具有超導性，同年由于對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，昂內斯被授予1913年諾貝爾物理學獎。

而超導的概念隨之而來。

此前，超導體必須在極低溫環境下工作，技術分類主要有四種：低溫超導，需要在40K（約-233.15℃）以下液氮溫度才能達到超導狀態，常見低溫超導體包括鈮鈦合金、鈮鋁合金等；金屬超導，常見的金屬超導體包括鉛、鋁、汞等，需要非常低的溫度才能實現超導；鐵基超導；銅氧化合物超導，是銅氧化物（cuprates）為主要成分的超導材料，優勢在于超導轉變溫度相對較高，可以在液氨溫度以上實現超導。

1987年，研究人員發現了一種含銅的超導體，其工作溫度為零下196攝氏度。后續實驗最終將超導溫度提高到-140攝氏度。

從學術界角度看，目前，全球并沒有研發出真正實用的室溫超導體及材料，所以很多科學家開始不斷實驗，尋求全球首個常溫超導體以實現“革命性技術突破”，主要由于超導體被用于為粒子加速器和核磁共振設備中磁鐵提供動力，它們是量子計算機的基石，而量子計算機的性能最終可能超過世界上最好的超級計算機，如果它們不需要冷藏從而更容易操作和制造，產業影響可能會更廣泛。

2023年以來，主要有兩個事件催化了“室溫超導”引起廣泛關注：美國迪亞茲室溫超導成果爭議，和韓國科研團隊的實驗。

今年3月7日，美國紐約羅切斯特大學物理學家朗加·迪亞茲（Ranga Dias）在美國物理學會年會上介紹研究新進展，稱團隊創造出的超導可在室溫和相對較低的壓力下工作。

這不是迪亞斯第一次將室溫超導公之于世。2020年，迪亞斯發布論文稱，已經在實驗室將氫、碳和硫元素，在金剛石壓腔中通過光化學合成簡單的碳質硫氫化物(CSH)，并將其超導臨界溫度提升至15°C。然而，Nature認為迪亞斯的數據處理方式有問題，其實驗結果也未能成功復現，因此該篇論文以被撤稿告終。

而今年迪亞茲的最新論文聲稱，要在1萬倍大氣壓下才能實現室溫超導，但最后全球沒有實驗室實現該研究的復現，暫時被證偽。

時隔四個月后的7月23日，韓國科學技術研究院（KIST）量子能源研究中心團隊在未經同行評議的預印版論文平臺arXiv上發布了一篇題為“首個室溫常壓超導體”的論文，描述稱實驗發現了一種名為LK-99的新型室溫超導體。該論文還伴隨著arXiv上的姊妹論文、一篇韓國期刊上的論文、一個獲得超導體的證明視頻以及一項專利申請。

其中，第一篇（arXiv:2307.12008）的提交人是署名高麗大學教授Young-Wan Kwon，剩下兩位署名作者為Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim，截至目前該室溫超導論文進行了一次修訂，論文共有22頁；而第二篇（arXiv:2307.12037）的提交人是：Hyuntak Kim（來自威廉-瑪麗學院），有六人署名。

鈦媒體App了解到，上述兩篇文章的內容大體相同，都是宣稱發現了第一種室溫常壓超導體，其中第二篇文章內容更豐富一些，提供了材料合成的詳細方法，展示了磁懸浮現象，并更詳細地推測了導致這種常溫超導現象的機理。

LK-99晶體的超導現象過程（來源：論文）

論文顯示，韓國科研團隊在材料合成部分采用“改性鉛磷灰石晶體結構（下稱LK-99，一種摻雜銅的鉛磷灰石）”，合成方法直接、簡單、便宜，甚至能在常壓下127攝氏度實現超導，研究過程核心為以下三個步驟：

第一步：用摩爾比1：1的氧化鉛和硫酸鉛粉末在725攝氏度和10^-3Torr（真空度測量）條件下發生固相化學反應，合成黃鉛礬：

第二步：在550攝氏度和10^-3Torr條件下合成磷化亞銅（一、二步可獨立進行）：

第三步：一、二步的產物研磨成粉末后，在10^-3Torr條件下，加熱到925攝氏度，合成摻Cu的鉛-磷灰石（即LK-99）。

與迪亞茲成果后面的反饋類似，由于韓國團隊的實驗過程簡單直接，而且論文有部分錯誤信息，數據也不太全，缺乏經驗，尤其電阻測量給出的是不同溫度下的IV曲線電流I太小了、電阻率測量精度不夠等，所以多位業內專家對此表示質疑。

據央視，南京大學超導物理和材料研究中心主任聞海虎認為，韓國團隊所展示的并非超導現象，而是“超導假象”，主要原因在于實現超導的零電阻、完全抗磁性（邁斯納效應）兩個特性，論文結果并不完全符合條件。

“論文想從三個方面說明有超導：電阻測量、磁化測量和磁懸浮。

其中，電阻測量通常使用“四探針法”，主要是該方法是接觸式比較穩定，但根據去年他們發表的韓國期刊文章看出，電極是用4個尖銳的針尖測量的，這種測量有時候會出問題的，因為是針尖，所以接觸各個方面都有問題，但是它現在顯示出來這個所謂電阻的數據，沒有一個是非常穩定的噪音狀態的零電阻，其數據隨著溫度變來變去，所以數據還是比較存疑的。

磁化數據確實看到抗磁，但其他材料抗磁性使用超導量子干涉器件儀器測量，如果信號大的時候一般是沒有錯的，如果信號小的時候有時候往往會給出這個假象。超導有它本身具有特定形狀的磁滯回線，是任何其他材料沒有的內容，但該文章中沒有發現這個數據信息。所以在磁化測量上，盡管有抗磁，這個抗磁本身是不是超導還不好說。

最后是磁懸浮。磁懸浮是第二類超導體一個典型的特征，在一個磁體上面當達到一個穩定態的時候，超導體和磁體之間是穩定的，而且它是壓進和把它拿開都是不容易的，都要用力的，現在它顯示的磁懸浮不太像超導的磁懸浮，而是有某種抗磁性+重力一個平衡以后所達到的磁懸浮態。

所以我感覺從這三點看的話，目前沒有強烈的證據說明它是超導。”聞海虎表示。

牛津材料科學教授Susannah Speller認為，“目前還為時過早，我們還沒有得到這些樣本超導性的有力證據”，因為缺乏超導性的明確標志，如磁場響應和熱容量。其他專家也對數據可能被“實驗過程中的錯誤和LK-99樣本的缺陷”解釋表示擔憂。

值得注意的是，該研究工作是由Sukbae Lee和Jihoon Kim兩位韓國科學家主導，兩位都畢業于高麗大學化學系。所謂LK-99，LK其實就是這兩位科學家姓的首字母，而99則是他們相信找到這種材料的時間（1999），甚至他們還成立了一家量子能源研究中心（Q-Center）來運作該超導體制備實驗。

但是，第一篇的三位論文作者之間并未達成協議，產生了“內訌”。

據韓聯社7月28日報道，Sukbae Lee電話表示，Young-Wan Kwon教授未經其他作者許可，擅自將其發表在arXiv中，并堅稱自己“要求將論文下架”。他還透露，研究教授Kwon曾擔任量子能源研究所的首席技術官（CTO），但他在四個月前辭去董事職務，目前與公司沒有關系。

另據高麗大學一位人士稱，Kwon教授已經與學校失去了聯系。

Jihoon Kim博士則表示“這兩篇論文存在很多缺陷，是未經他許可發表的”。據悉，此前Sukbae Lee， Jihoon Kim和Young-Wan Kwon曾希望該論文申請到Nature 發表，但被拒絕了，而三人申請了專利，專利在2023年3月獲得通過并公開。

然而，論文發布八天（192個小時）后的今天，事情發生了反轉，中美俄科學家同日成功復現“室溫超導體”。

8月1日，arXiv平臺至少發布了四篇關于超導體的論文，其中一篇就是美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）納米結構材料理論研究員西妮德·格里芬（Sinéad Griffin）的論文，其團隊對韓國團隊實驗進行復現，結果發現LK-99晶體可以實現“室溫超導”。

論文顯示，格里芬團隊使用美國能源部的超級計算機進行了模擬，通過密度泛函理論（DFT）和GGA+U方法進行了計算，發現當銅取代磷灰石中的鉛時引起了結構畸變，從而導致費米能級的孤立平帶 (已知高溫超導體的常見標志)，即存在超導體家族中高轉變溫度的共同特征。所有計算結果均與韓國LK-99晶體實驗結果相似，晶格參數與實驗結果相差1%。

這一實驗結果為近期韓國團隊所謂的“室溫常壓超導材料”提供了理論依據，給超導材料的研究提供了新的方向和啟示。

據悉，LBNL隸屬于美國能源部的國家實驗室，1931年建立至今共培養了15位諾貝爾獎得主。據Nature Index，該實驗室在物理和化學領域的影響力排名世界第一。

論文中提到，其通過超級計算機模擬過程中，使用一種密度泛函理論計算，并展示了計算出的自旋極化電子結構。最終理論結果表明，韓國團隊的LK-99材料在理論層面上確實有可能具有“室溫超導”的特性。不過，這需要銅滲透到分子中特定的位置才能實現超導，這意味著該材料要在現實中進行合成制備具有較高的難度。

不止于此，美東時間周一（7月31日），美國佛羅里達州的一家公司泰吉量子（Taj Quantum）也宣稱研發出室溫超導體，并且已獲得專利。

其首席執行官Paul Lilly表示，他們的超導材料是一種石墨烯材料的II型超導體，可以在常壓下工作，但這家公司沒有公布任何實驗數據或者論文來證明他們的超導材料的性能和原理，也沒有其他科學家復制或者驗證他們的實驗。

俄羅斯方面，俄羅斯科學家Iris Alexandra成功制備出了具備常溫抗磁性的LK-99晶體，而常溫抗磁性正是超導晶體的標志之一，其結果在twitter上發布。

此外，8月1日，中國科學家也成功復現了韓國團隊的實驗。

經華中科技大學常海欣教授確認，B站UP主“關山口男子技師” 1日上傳一個關于LK99驗證的視頻，展示了一塊幾十微米的樣品，使用汝鐵硼磁鐵放在材料下，NS極均可以讓材料展示抗磁性。

視頻稱，該研究是華中科技大學材料學院常海欣教授指導下，博士后武浩、博士生楊麗驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體。該晶體懸浮的角度比韓國量子能源研究中心Sukbae Lee等人獲得的樣品磁懸浮角度更大，有望實現真正意義的無接觸超導磁懸浮。

截至鈦媒體APP發稿前，視頻總播放次數已經超過150萬，并獲得華中科技大學B站官方賬號點贊，嗶哩嗶哩董事長陳睿也在評論區留言：“牛（3個大拇指）”。

不過，除了上述這些論文，根據網友公開實驗數據和視頻稱，重復實驗中合成的LK-99表現出一定的抗磁性，但未觀察到超導現象或超導磁懸浮現象。

中國科學院金屬研究所孫巖表示，他們主要進行了理論計算，從計算結果來看，LK-99有室溫超導的可能性，“但是不confirm（不是證實）”。而北京航空航天大學材料科學與工程學院研究團隊對合成的LK-99檢測發現，它的室溫電阻不為零，也沒有觀察到它發生磁懸浮。

總結來說，韓國團隊的LK-99室溫超導體實驗，在理論上是可行的，但合成難度極高、復現幾率太小。成功復現磁懸浮只能證明LK-99具有一定的抗磁性，并不能證明它具有韓國團隊宣稱的室溫超導特征。

室溫超導意味著什么？

產業鏈上下游有哪些？

事實上，“室溫超導”技術的重要性在于：如果一個超導體可在常溫常壓下就實現超導作用，從而能解決全世界能耗問題、開發速度更快的電腦、用在先進的儲存裝置、超靈敏的感測器，以及許多其他的可能性。

例如，醫院里面用的核磁成像裝置就將不需要用任何低溫制冷液體，使用價格非常便宜；大型高性能計算芯片或不再需要擔心低溫散熱問題，計算容量也會提高；可以用室溫超導體做出更安全更環保的磁懸浮列車和飛機。

室溫超導技術還將引發一場產業革命，新能源、量子計算等重要領域都會因此有飛躍式的發展。

浙商證券指出，室溫常壓超導的實現有望引領新一輪工業革命。今年以來，室溫常壓超導領域頻發突破性研究成果，每一次都引起全球科學家的關注，究其原因，便是室溫超導的實現將深刻變革目前的能源體系、信息處理與傳輸體系，并在醫療檢測、高速交通乃至可控核聚變等諸多領域帶來進步。盡管目前相關技術仍不成熟可靠，但每一點技術革新的可能都值得持續關注。

天風國際分析師郭明錤 (Ming-Chi Kuo)表示，常溫常壓超導體商業化的時程并沒有任何能見度，但未來若能夠順利商業化，將對計算機與消費電子領域的產品設計有顛覆性的影響。計算機與消費電子的技術與材料創新，都是為了要實現高速計算、高頻高速傳輸、小型化等要求，而超導狀況(電阻消失) 特性將會顛覆既有的產品設計與材料/技術采用，如：不再需要散熱系統、光纖/高階CCL被取代、先進制程門檻降低等，讓即便是小如iPhone的設備，都能擁有與量子電腦匹敵的計算能力。

此外，“室溫超導”領域多個事件也引發了二級市場的關注。國內股市方面，法爾勝已5天3板，金徽股份3天2板，百利電氣、創新新材、國纜檢測、豫光金鉛等多股漲停。而美股美國超導在連漲三日后，周二盤前再漲超100％，之前一度漲超140%。

鈦媒體App通過思維導圖方式，簡單梳理了超導材料的基本邏輯以及產業鏈布局。

產業鏈來看，超導行業已經產業化的主要是高溫和低溫超導，其中低溫超導是上世紀80年代就已經產業化，包括磁共振等，但液氦昂貴且需進口。而超導體上游包括超導原材料、超導制造設備，包括上海超導、西部超導、聯創光電等，中游包括超導器件等，下游電網、能源、核聚變等相關領域都有未來發展潛力。

行業空間上，下游應用空間可以達到千億規模。另外，室溫超導的出現對高溫低溫可能會有威脅，但因為室溫量產沒有那么快，高溫和低溫發展空間還是很大，且如果室溫超導真的量產，上游帶材也會跟進。

對此，西部超導回應稱，公司目前是國內領先、國際先進的超導材料、超導磁體、高端缽合金、高性能高溫合金創新研發生產企業；永鼎股份稱，超導電力是公司重點發展業務之一，公司超導業務發展迅速，利潤率較好，產業化落地進入加速期。公司主營產品是第二代高溫超導帶材及其應用設備，以及超導 (通用)電氣產品；雷爾偉稱，目前高溫超導電動懸浮技術處于試驗階段等。

目前來看，韓國、美國的科學家的“室溫超導”實驗室制備和復現過程，都離產業應用還有很大距離。但“室溫超導”的成果在基礎科學領域中確實是很偉大、革命性的技術突破。我們都希望這個實驗結果是真的。

中科創星創始合伙人米磊表示，超導技術門檻高、產業化周期長，這兩年隨著高溫超導、小型化聚變裝置等技術產生新的突破，創業項目越來越多。他認為，未來60年的能源革命的確依靠的是超導材料的突破，但他也坦承，室溫超導首先得解決在試驗室階段被證明的問題。

諾貝爾物理學獎得主、美國理論物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）曾在《物理學講義》超導一章的最后寫道：“我們正在非常精美的水準上取得對自然界的控制，但很遺憾，要參加這項冒險活動，盡快學習量子力學是非常有必要的。”

那么，現在請讓“室溫超導”再飛一會兒，全世界一起等待21世紀的“超導時代”真正到來。

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