韓國的室溫超導(dǎo)研究成果是真的嗎？一文讀懂復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)卡點(diǎn)在哪兒

7月22日，一韓國科研團(tuán)隊(duì)在arXiv平臺(tái)上傳了一篇論文，聲稱發(fā)現(xiàn)了一種名為LK-99的常溫超導(dǎo)體，引起全世界吃瓜。需要說明，arXiv是一個(gè)收集物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)與數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)的論文預(yù)印本的網(wǎng)站，其上面發(fā)布的文章不能稱為“正式發(fā)表”，因?yàn)樯厦姘l(fā)布的文章都是作者自己掛上去的，目的是宣稱自己的首發(fā)權(quán)以及與他人交流，文章內(nèi)容的真實(shí)性卻無需經(jīng)過同行的嚴(yán)格審查。而“正式發(fā)表”的文章則必須能經(jīng)受住同行評(píng)議。不過最近，由于其受到的輿論壓力太大，韓國團(tuán)隊(duì)已經(jīng)下架了該論文。

什么是超導(dǎo)體？

超導(dǎo)是材料內(nèi)部電子的一種宏觀熱力學(xué)相變，超導(dǎo)體具有兩個(gè)相互獨(dú)立的特征：絕對(duì)零電阻和完全抗磁性。

電阻為零意味著電阻完全消失，容易被大家理解。那什么是完全抗磁性呢？

物理學(xué)上通常將材料的磁性分為順磁性、抗磁性和鐵磁性等。鐵磁性材料是把材料放到磁場中或降到某一溫度以下，材料被磁化，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場且材料具有明確的磁極，比如含鐵鈷鎳等元素的一些材料，磁化后的材料可以保留鐵磁性。順磁性材料是把材料放到磁場中，材料被磁化產(chǎn)生一個(gè)較小的磁場，方向與原磁場相同，大小與原磁場成正比，但撤銷外磁場后就會(huì)消失。而抗磁性材料是把材料放到磁場中，材料內(nèi)部產(chǎn)生的磁場與原磁場方向相反，反而會(huì)減弱總磁場。一般來說，鐵磁性材料放到磁場中會(huì)被原磁場吸引，而抗磁性材料會(huì)被原磁場排斥。

但在很多情況下人們都忽略材料的抗磁性，因?yàn)樵诖艌霾皇呛軓?qiáng)的時(shí)候，基本觀察不到材料的抗磁性。準(zhǔn)確來說，真空的磁化率是0，代表與原磁場一致。普通抗磁性材料的磁化率為負(fù)值，但非常接近0，比如水、部分有機(jī)物、少量金屬等都是普通抗磁性材料。但超導(dǎo)體的磁化率是-1，達(dá)到了抗磁性的最大值，與普通抗磁性材料顯著不同，是100%的抗磁性。磁通線可以穿過普通抗磁性材料，但卻不能穿過處于完全抗磁狀態(tài)下的超導(dǎo)體（也稱邁斯納效應(yīng)）。即使在特定溫度和磁場下，磁通線可以部分穿透超導(dǎo)體，也會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通釘扎效應(yīng)。因此，超導(dǎo)體會(huì)非常強(qiáng)烈地排斥外磁場，且能牢牢束縛住磁通線，而普通抗磁性材料只是輕微的排斥外磁場。

關(guān)于抗磁性，這里介紹一件趣事。現(xiàn)任英國曼徹斯特大學(xué)教授的安德烈.蓋姆是世界上第一個(gè)同時(shí)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的學(xué)者。其2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)的工作是發(fā)現(xiàn)了石墨烯，其獲得2000年的搞笑諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的工作則是做了一個(gè)懸浮青蛙的實(shí)驗(yàn)。他將一只青蛙放在了16 T的強(qiáng)磁場中，青蛙在磁場中實(shí)現(xiàn)了懸浮，因?yàn)榍嗤苁呛罅克挠袡C(jī)物，具有一定的抗磁性。實(shí)際上不僅僅是青蛙，由于16 T的磁場實(shí)在是太強(qiáng)了，直接滴一滴水在磁場中也能懸浮。

當(dāng)然，如果是一塊同樣大小的超導(dǎo)體，其抗磁性最強(qiáng)，僅僅需要0.5 T左右的磁場，就能實(shí)現(xiàn)懸浮。

韓國宣稱室溫超導(dǎo)的復(fù)現(xiàn)？

如果仔細(xì)觀察韓國團(tuán)隊(duì)的磁懸浮視頻就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其原先制作的材料是一個(gè)完整的圓餅形，但是為了顯示出懸浮的現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)故意將材料砸掉了一塊，使材料一頭重一頭輕，通過受力不均勻?qū)崿F(xiàn)了翹起來的現(xiàn)象，這個(gè)砸材料的動(dòng)機(jī)本身就非?？梢伞?br />
如果將材料砸的足夠薄，足夠輕，又或者用更強(qiáng)的釹鐵硼磁鐵，其抗磁性是有可能讓其完全懸浮。果不其然，最近國內(nèi)的驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)所流出的驗(yàn)證視頻也說明了這一點(diǎn)，有團(tuán)隊(duì)制作的材料足夠薄，確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)在磁鐵上方懸浮。

不過，這里可以告訴大家一個(gè)非常簡單的方法來區(qū)分普通抗磁性材料的懸浮和超導(dǎo)體的懸浮，那就是把材料放到磁鐵的下方，看其會(huì)不會(huì)在磁鐵的下方懸浮。能夠?qū)崿F(xiàn)磁懸浮的超導(dǎo)體，不僅可以在磁鐵的上方浮起來，也可以在磁鐵的下方懸掛住。因?yàn)榇磐ň€實(shí)際上部分穿入了超導(dǎo)體內(nèi)部，又部分被超導(dǎo)體強(qiáng)烈排斥，而且超導(dǎo)電子可以把磁通線牢牢鎖住，產(chǎn)生很強(qiáng)的作用力，所以無論是浮還是懸，都足以克服重力。但普通抗磁性材料卻根本不能在磁鐵的下方懸浮，因?yàn)檫@類材料抗磁性很弱，絕大部分磁通線可以穿透材料且沒有很強(qiáng)的作用力，在磁鐵上方可以借助微小的抗磁斥力而懸浮。如放到磁鐵下方，就會(huì)立刻露餡，普通抗磁性材料會(huì)毫不猶豫地掉下去。

所以國內(nèi)大部分專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)現(xiàn)韓國團(tuán)隊(duì)的這個(gè)結(jié)果并不是很積極，因?yàn)橐豢淳筒惶癯瑢?dǎo)的磁懸浮。要宣稱實(shí)現(xiàn)了常溫常壓超導(dǎo)材料，恐怕也要在室溫下能不能在磁鐵下方懸浮來簡單驗(yàn)證一下。至于美國某泰吉量子公司宣稱已獲得室溫超導(dǎo)專利等事情，則不排除是資本市場上的一些操作手段，已經(jīng)不屬于科學(xué)研究的范疇了。

總的來說，在尋求常溫常壓材料的道路上，人們需要走的路還很漫長，目前還沒有一個(gè)確定的理論能告訴人們什么樣的材料能實(shí)現(xiàn)常溫常壓超導(dǎo)，甚至如何解釋40 K~165 K（-233 ℃~ -108 ℃）的高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有形成定論。

雖然當(dāng)下一些可疑的研究行為賺足了人們的眼球，但如果能吸引更多人從更多的方面合成和試探材料的超導(dǎo)電性，在遙遠(yuǎn)的未來突發(fā)“黑天鵝”，也未嘗不是一種可能，我們期待那一天的到來。

作者 | 北京化工大學(xué)副教授 耿志浩

審核 | 中科院物理研究所研究員 羅會(huì)仟

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