LK-99被證偽，“室溫超導”為何經常鬧烏龍？

7月底，韓國一家初創公司在其未經同行評審的預印本論文中稱，一種名為“LK-99”的銅、鉛、磷和氧的化合物可以實現室溫超導。這一消息迅速引發物理學界和產業界的關注，多國科學家紛紛嘗試復制LK-99。日前，《自然》（《Nature》）雜志的一篇報道總結了國際上不同實驗室的重復實驗結果，指出LK-99不是室溫超導體，并解釋了這種材料出現類似超導行為的原因。名噪一時的LK-99終于塵埃落定，被認定為烏龍事件。

室溫超導一直是物理學家們期待抵達的高峰。在探索室溫超導的百余年中，LK-99不是第一種被宣稱實現室溫超導的材料，也不是第一種在后續驗證中陷入爭議的材料。事實上，很多所謂的“室溫超導體”最后都無法定論，物理學家們將其類比為不明飛行物UFO，稱其為“不明超導體”USO（Unidentified Superconducting Object）。今天我們請中國科學院物理研究所的孫英睿、范朝輝來介紹一下什么是室溫超導，為何它總是命運多舛？曾經的疑似室溫超導體后來又如何了呢？

備受矚目的“超導”究竟是什么

(資料圖片僅供參考)

韓國研究團隊打造的LK-99材料，讓室溫超導的概念又一次被推上風口浪尖。然而，在后續其他科學家的復現工作中，不管是實驗還是理論計算，論文結果都大相徑庭，有的論文給出了支持超導的幾項證據，有的認為只是普通磁性材料，甚至是雜質的假信號。最終，經過數十次的重復，許多專家確信LK-99并不是室溫超導體。

室溫超導究竟是什么？為何能讓科學界如此重視？這還得從超導現象的發現說起。

1911年4月8日，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯通過實驗發現了超導現象，即導體在特定條件下（如溫度、壓強、磁場等）電阻為0的現象。昂內斯將汞放到液氦中冷卻，結果發現被冷卻到4.2K（-269℃）的汞突然沒有了電阻。

在昂內斯觀察到超導現象之前，物理學家們對于導體在接近絕對零度時的導電性質并沒有一個統一的意見，有的物理學家甚至猜測電流在接近絕對零度的導體中會幾乎完全停滯，也就是說導體的電阻會趨于無窮大，就連19世紀著名的物理學家、冠名絕對溫標單位的開爾文勛爵也是這么認為的。顯而易見，昂內斯的發現平息了關于導體在低溫下會有什么性質的爭論。后來，昂內斯獲得諾貝爾物理學獎，發現超導現象正是其獲獎的重要貢獻之一。

超導其實是物質的一種特殊狀態，它有兩個最主要的衡量指標：臨界溫度和臨界磁場，而它的特性是零電阻性和完全抗磁性，這樣的特性讓超導的應用前景十分廣闊。例如，超導體電阻為零，可以無損耗地運輸電力；它有完全的抗磁性，液氮超導磁懸浮就是很直觀的表現；它可以很方便地按照電磁感應定律產生強大的磁場，用于醫院里的核磁共振……但昂內斯觀察到的超導現象，需要的溫度是-269℃，如此低的溫度意味著超導體基本沒有任何日常實用的可能性。

如果想將超導體應用到現實中，那么必須有接近日常生活的工作溫度和壓強環境。因此，在確認超導現象存在以后，如何將產生超導的溫度和壓強推進到接近日常狀態，即研究室溫超導便成了物理學家們的夙愿。

無論如何，關于室溫超導的一言一行如此受到廣泛關注，與人們愈發意識到超導體的重要性及現代科學技術的發展分不開。

真正的室溫超導材料尚未問世

盡管超導已經是物理學一個很細的分支了，但它還能分成更細的研究方向，如超導材料與物理性質、超導機理、超導應用等。其中大家最為熟悉的研究方向應該就是發現了新的超導材料并測定其簡單物理性質，核心可以理解為“我合成了一個新的材料，它超導，測到的臨界溫度和臨界磁場分別是X和Y”。

一般來說，發現新超導材料的論文會介紹合成出來的材料結構及確定結構的依據，如電鏡、能譜和X射線衍射，以及磁性（即磁化率隨溫度的變化，由此可知超導的臨界溫度）、電阻、比熱等。當其他研究人員看到結構和磁化率、電阻和比熱的研究數據時，就會初步認可這是一種新的超導材料，并開展后續的驗證。這就是近期許多科學家對于韓國LK-99研究結果進行重復驗證的原因。

實際上，人類對室溫超導的探索從未停止，在過去十幾年里，不斷有研究團隊聲稱找到了室溫或接近室溫的超導體。

2020年10月，美國迪亞斯團隊有一項“室溫超導”成果發表在《自然》雜志上，聲稱綠色激光誘導合成的碳硫氫（C-S-H）化合物在267GPa壓強（高壓）下超導轉變溫度高達288K（14.85℃）。從此科學家討論問題涉及超導時，都難免感嘆一句：雖然壓強高得離譜，但是室溫超導終于要來了。

但遺憾的是，未等該實驗被重復出來，迪亞斯團隊的實驗數據便被同行懷疑受到了更改和操控。作為同行之一的加州大學理論物理學家赫希經過仔細分析，先后發表兩篇論文質疑批評該結果。經過長時間的拉鋸，迪亞斯團隊的論文最終在2022年9月被撤回。

在今年3月初的美國物理學會會議上，迪亞斯宣布又發現了室溫超導體——高溫高壓條件下合成的镥氮氫（Lu-N-H）化合物在1GPa壓強下即可實現294K（20.85℃）室溫超導，相關論文同樣發表在了《自然》雜志上。已經被上一個成果“忽悠”過的同行們對此持保留態度，靜觀其變。果然，這個研究結果不僅未得到廣泛重復，還被不少驗證性實驗予以否定，如我國南京大學超導物理與材料研究中心的實驗、中國科學院物理研究所的實驗等。

在更早的時候，關于室溫或近室溫超導體的研究還有很多。例如，2018年，兩位印度科研人員稱將納米銀粉加入金納米陣列中可以獲得236K（-37.15℃）的超導電性，其數據被質疑，因為實驗數據的噪音模式是一樣的，這在真實的實驗中是不可能的，后有印度學者出來辟謠稱是“量子噪音效應”；2016年，科斯塔迪諾夫聲稱找到了轉變溫度為373K（99.85℃）的超導體，但是并未公布其組分和制備過程，以一種保密的姿態沒了后續；2012年，有團隊宣布經過純水特殊處理的石墨粉在300K（26.85℃）常壓下具有超導電性；2003年，有團隊聲稱n型金剛石與電極、真空耦合后，能在常溫常壓下擁有超導現象……

據不完全統計，歷史上聲稱發現室溫超導（接近或高于300K，相當于26.85℃）的研究不少于7個，其結果不是未得到證實，就是論文被期刊撤稿。

雖然有這么多沒有后續的“室溫超導”事件，但也不必對超導的研究失去信心。從元素超導體到銅基，再到鐵基超導體，科學家對超導的認識正在一步步深入。值得關注的是，目前在常壓下，超導體Hg-Tl-Ba-Ca-Cu-O有最高的轉變溫度，為138K（-135.15℃），而在高壓下，LaH??材料的轉變溫度達到了252K（-21.15℃），這些都已得到廣泛的實驗驗證。

辨別研究成果真偽緣何費時間

結合歷史上的多次“室溫超導研究”和此次韓國的“LK-99”事件，大家可能會感到困惑，一個材料是不是超導體難道不是一個“非黑即白”的問題嗎？怎么還需要反復驗證和經歷時間拉鋸呢？事實上，辨別真偽本來就不是一件簡單的事。

新的超導材料要想獲得認可，既需要作者給出令人信服的數據，又需要其他同行能夠重復出同樣的效果。打個比方，北京的超導材料在紐約同樣應該超導，這是物理人執著的信念。

簡單來說，要想確定一種新材料是否具有超導性，總需要用一臺儀器對一塊樣品做點什么。因此，對疑似超導體的驗證工作至少分為兩個階段：獲得一塊高質量的樣品，對樣品完成測試。

首先，制備樣品就不容易。對于超導材料，“高質量樣品”往往代表一塊大小合適的干凈單晶。用來測試的晶體，缺陷要盡可能地少，而雜質要幾乎完全排除。晶界（指晶體內部不同晶粒之間的邊界）雜亂無章且有大量雜質的多晶雖然容易燒結，但測試結果很難說服嚴苛的審稿人和同行。由此可見，僅是制備出能用的樣品，就需要昂貴的高純原料、復雜的燒結條件，以及經驗和一些運氣。

其次，就算獲得了適用的樣品，怎樣用它測試出有說服力的數據同樣不容易。常壓超導的樣品測試起來相對簡單，但也有很多步驟。樣品首先需要清潔、用細砂紙打磨——如果磨得輕了，樣品表面的雜質沒被剝離，會帶來假信號；如果磨得重了，樣品又可能直接四分五裂。幾毫米長的樣品磨好以后，還要并排粘上4根導電電極，用類似我們中學時學的伏安法電壓表內接的方式測試電阻。電極要粘得平行等長，彼此還要留出足夠的距離。從打磨到粘電極，這些在顯微鏡下進行的精細活兒都要迅速完成，不然樣品若在空氣中氧化變質，前面的工作就白費了。

相比常壓超導，高壓超導的驗證更加困難。且不說上百萬倍大氣壓強的實驗條件本身就勸退了大部分實驗室，單純考慮測試技術就復雜到令人咋舌。比如，要想辦法給樣品均勻地施加并傳導壓力而不至于損壞；要將樣品連同加壓裝置一起冷卻、加磁場；要從加壓結構中引出4根導線連接測試設備的電壓表和電流表；還要壓制復雜裝置和極端條件產生的噪聲信號……所以，高壓超導著實有些命途多舛：金屬氫超導的樣品揮發，結果不了了之；臨界溫度200多K的碳硫氫雖然名噪一時，但終究撤稿；今年3月的镥氮氫化合物，也草草收場。

綜上，驗證超導體研究結果的真偽耗時良久，便不足為奇了。

超氫化物會是下一個希望嗎

說了這么多，那室溫超導體究竟會出現在哪種材料上呢？

目前在所有的超導材料中，理論上最有可能實現、研究也最多的，就是超氫化物。根據能夠解釋常規超導的BCS理論，超導體的臨界溫度Tc與構成超導體的原子質量M的平方根成反比。科學家由此想到，如果想要提高超導臨界溫度，尤其是接近室溫，那么最好的方法就是利用最輕的元素“氫”。

要想將常壓下沸點為-253℃的氫氣變成固體的導電材料金屬氫，就必須施加幾百萬大氣壓的壓強。剛好，壓強的提高也有利于超導臨界溫度的提升。于是，世界各地高壓超導實驗室的金剛石壓砧里都注入了氫。但是，將氣態氫壓成固體，并保持穩定再完成測量，實在是太不容易了。幾十年過去，直至今天也沒有人成功制備出金屬氫。

由于金屬氫太難制備，科學家將目光轉向了稀土氫化物。元素周期表上的鑭系元素可以與多個氫原子結合成分子并相對穩定地存在，這種含有多個氫原子的化合物就被稱為富氫化合物，如果分子中氫含量更多，就叫作超氫化物。其中，被研究得最多的材料是La-H體系。在高壓下用激光照射按比例混合的單質鑭和氫氣可以得到LaH??，這是目前實驗驗證的臨界溫度最高的超氫化物，它可以在165萬大氣壓下實現大約252K（-13℃）的超導。隨著研究的深入，超氫化物將逐漸受到關注，有可能刷新高壓超導的臨界溫度紀錄。

我們相信，隨著實驗技術的進步和基礎理論的突破，未來還會有更多的“室溫超導材料”出現。或許，有的“室溫超導材料”最終被證偽；又或許，常壓室溫超導根本就不存在。但毋庸置疑的是，如果室溫超導真正實現，一定會為世界帶來巨大改變，如輸電損耗顯著下降、CT和磁懸浮列車等成本降低、可控核聚變裝置設計大幅簡化等。凡科學探索，必然道阻且長，人類對溫和條件下超導的探索不會停止，這是科學的期盼，也是科學的追求。

記者 汪丹

（專業審核：中國科學院物理研究所羅會仟研究員、劉淼副研究員）

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