最近幾天，超導材料界出現(xiàn)了一項關(guān)于室溫超導性的研究。這項研究來自韓國的一個團隊，他們在arXiv上上傳了兩篇論文，聲稱他們在大氣壓下合成了一種室溫超導材料LK-99，其超導臨界溫度超過了水的沸點，最高達到127攝氏度，該項超導材料論文引發(fā)了大量科技討論，小編根據(jù)現(xiàn)有資料做了匯總和分析，如下所示。
超導體是一種具有超導特性的特殊材料。超導性意味著在低溫條件下，超導體可以以零電阻傳導電流，并表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，即在超導體內(nèi)部形成排斥磁場，以響應(yīng)外部磁場。
普通金屬阻擋電流或?qū)κ┘拥拇艌霎a(chǎn)生反應(yīng)，導致熱量損失。然而，超導體可以在低溫下完全消除電阻，通常接近絕對零度，使電流在沒有任何損失的情況下流動。這種超導現(xiàn)象是由于超導體中的電子配對，即庫珀對，它們一起移動，而不是作為單個電子。
超導體的發(fā)現(xiàn)和研究是一項重大的科學突破，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括：
1、能量傳輸：超導電纜可以顯著降低電力傳輸過程中的能量損失，提高能量傳輸效率。
2、磁共振成像（MRI）：超導磁體用于MRI設(shè)備，以產(chǎn)生高分辨率的醫(yī)學圖像。
3、磁懸浮列車：超導磁懸浮技術(shù)使列車在懸浮軌道上無接觸地高速運行，減少摩擦和能量損失。
4、量子計算：超導量子位可以用來開發(fā)更強大的量子計算機。
5、醫(yī)學成像：利用常溫常壓超導體的強磁場特性，可以制作更精確、更高效的醫(yī)學設(shè)備，如磁共振成像儀等，提高診斷的準確性和治療的效果。
然而，目前大多數(shù)超導體需要極低的溫度才能表現(xiàn)出超導性，這限制了它們的實際應(yīng)用。因此，研究人員一直在尋找能夠在更高溫度下表現(xiàn)出超導性的材料，從而產(chǎn)生了“室溫超導體”的概念
室溫超導體，也稱為環(huán)境壓力超導體（常溫常壓超導體），是指在更傳統(tǒng)的溫度和壓力條件下，通常在室溫或低于室溫時，能夠表現(xiàn)出超導性的材料。這是一個重大突破，因為傳統(tǒng)的超導體需要接近絕對零度的極低溫度才能表現(xiàn)出來超導性。如果韓國的測試結(jié)果是準確的，室溫超導材料的發(fā)現(xiàn)將是超導領(lǐng)域的重大突破。
與其他超導體相比，室溫超導體可以在日常生活中更容易實現(xiàn)的條件下運行。截至2020年，在超高壓含碳硫化氫系統(tǒng)中實現(xiàn)了最高溫度的超導體，壓力為267 GPa，臨界溫度為+15°C。
對于韓國團隊的研究，許多人感到難以置信。在結(jié)果重現(xiàn)之前，大部分到現(xiàn)在都還是保持懷疑。室溫超導的歷程是漫長的，早在20世紀初就開始了。
1911年，荷蘭物理學家HeikeKamerlingh-Onnes首次在冷卻至4.2K（-269°C）的汞絲中發(fā)現(xiàn)了超導性。
1957年，物理學家John Bardeen、Leon Cooper和Robert Schrieffer用他們的“BCS理論”從理論上解釋了這一現(xiàn)象，該理論表明，通過超導體壓縮的電子會暫時使材料的結(jié)構(gòu)變形，導致電子交換。
1986年，物理學家發(fā)現(xiàn)氧化銅陶瓷在Tc=30K（約-243°C）的更高臨界溫度下表現(xiàn)出超導性。
1994年，研究人員在壓力下將汞基氧化銅的臨界溫度（Tc）提高到164K（約-109°C）。然而，在銅酸鹽超導體中實現(xiàn)超導性的機制仍然未知。
在21世紀，許多研究人員在這一領(lǐng)域做出了努力，聲稱取得了非凡的成果。羅徹斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯就是這樣一個人物。
2020年，迪亞斯團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一篇封面文章，聲稱在267GPa和287K（約15度）的碳硫氫（CSH）系統(tǒng)中實現(xiàn)了超導性，這標志著人類首次實現(xiàn)了高壓室溫超導性。
不幸的是，2022年9月，《自然》雜志宣布撤回該論文。然而，這并沒有阻止迪亞斯，次年3月，物理學界出現(xiàn)了另一個重大進展。
在3月份于拉斯維加斯舉行的美國物理學會年會上，蘭加·迪亞斯宣布發(fā)明了一種在室溫和接近大氣壓下工作的超導體。該超導體由氫、氮和稀土金屬镥組成，在21°C（294K）和約1GPa的壓力下成功地傳導無電阻電流。這項研究也發(fā)表在《自然》雜志上。
韓國研究小組合成室溫超導材料LK-99的方法由一位著名的科普專家進行了分析。該材料是銅摻雜的鉛磷灰石，其化學式和銅摻雜參數(shù)x約為0.9-1.1。
1、黃銅礦合成：將氧化鉛和硫酸鉛粉末混合，并在725°C下在空氣中加熱24小時，從而生產(chǎn)黃銅礦。
2、亞磷酸亞銅晶體合成：將銅粉和磷粉混合并密封在真空管中，然后在550°C下加熱48小時，形成亞磷酸亞銅晶體。
3、最終材料合成：將黃銅礦和磷化亞銅晶體研磨成粉末，混合，并密封在真空管中。然后將密封管在925°C下加熱5-20小時，從而轉(zhuǎn)化為最終的超導材料。在這個過程中，硫酸鉛中的硫元素蒸發(fā)了。
文章給出了第三步的照片：e是反應(yīng)前的混合粉末，f是反應(yīng)后的密封樣品，g是樣品取出時的外觀，h和i是所得樣品的照片。
合成的材料具有六方晶體結(jié)構(gòu)，屬于六方晶體系統(tǒng)。在超導狀態(tài)下，樣品沿c軸方向形成一維超導鏈。
作者使用四探針法測量了樣品的電阻，并在105攝氏度左右觀察到電阻的顯著跳躍，表明發(fā)生了超導轉(zhuǎn)變。然而，電阻并沒有立即降至零，這是意料之中的，因為并非所有電子都在有限的溫度下參與庫珀配對。
樣品中還觀察到了抗磁性，特別是邁斯納效應(yīng)，為超導性提供了進一步的證據(jù)。測量了樣品的臨界電流、臨界磁場和臨界溫度，發(fā)現(xiàn)臨界溫度高達400開爾文或127攝氏度。
對高臨界溫度的理論解釋涉及由于銅摻雜和電子之間的強相關(guān)性而形成一維或準一維金屬。
他們使用四探針法測量了樣品2在30mA電流下的電阻，發(fā)現(xiàn)在105攝氏度左右電阻有明顯的跳躍，他們認為此時發(fā)生了超導轉(zhuǎn)變。
但是，阻力不會直接跳到0，而是先跳到一個相對較小的值。進入較低溫度后，低于約60攝氏度，電阻幾乎為零。“來自星星的何教授”解釋說，事實上，超導體進入超導狀態(tài)后，電阻不一定嚴格為零。這是因為在有限的溫度下，并不是所有的電子都參與了庫珀配對，未配對的電子仍然會對電阻產(chǎn)生影響，尤其是在接近臨界溫度的區(qū)域。論文作者從電阻測量結(jié)果得出結(jié)論，該超導體是一種s波超導體。
對論文工作的分析得出結(jié)論，合成方法和實驗證據(jù)是全面的，其他研究小組有望很快跟進并驗證這些結(jié)果，因為實驗不需要高壓環(huán)境，比以前的實驗難度更小。
截至2020年，實現(xiàn)的最高溫度超導體是在超高壓含碳硫化氫系統(tǒng)中，壓力為267 GPa，臨界溫度為+15°C。在正常大氣壓下溫度最高的超導體是高溫超導體銅酸鹽，它在138K（?135°C）的溫度下超導體。
實現(xiàn)室溫超導所需的條件極其苛刻，目前的條件只能支持在極高的壓力或極低的溫度下實現(xiàn)超導，更不用說其高昂的成本和有限的應(yīng)用場景了。
如果有一種材料能夠在正常溫度和壓力下實現(xiàn)超導性，并且相對容易獲得，那么室溫超導體lk-99材料的出現(xiàn)可能標志著一場新的工業(yè)革命的開始。室溫超導體lk-99材料的應(yīng)用包括但不限于：磁場的大規(guī)模應(yīng)用、非接觸材料操縱（如核聚變控制）、無能量電流傳輸、超長距離通信、新能源形式等，基本上徹底改變了一切依靠電力運行的事物。這可能是以前只有在科幻小說中才能看到的東西。
以最常見的電力相關(guān)產(chǎn)品為例，一種沒有電阻的超導體將完全解決電阻導致的能量損失問題。超導計算機將不再需要考慮散熱問題，使其更薄，并顯著提高運行速度。家庭電力消耗將大大減少，電動汽車將完全取代燃油汽車。
在能源發(fā)電和輸電行業(yè)，許多燃油設(shè)備，如柴油機和汽油機，將被超導電機取代，徹底改變石油、化工、航空航天和冶金等行業(yè)。同時，由超導材料制成的超導電線和變壓器將能夠在幾乎沒有損耗的情況下傳輸電力，使電力短缺問題成為過去。
此外，超導材料的出現(xiàn)可能導致高速超導磁懸浮列車的發(fā)展，磁懸浮軌道交通可以大規(guī)模實施。
在一個更像科幻小說的場景中，可控核聚變技術(shù)可能成為現(xiàn)實。《三體》中描繪的場景可能會成為現(xiàn)實，引導人類冒險進入宇宙，改寫人類歷史。
目前，室溫和大氣壓超導材料問題已位居熱榜首位。由于復制結(jié)果相對簡單，國內(nèi)外的許多團隊可能都在不懈地努力復制實驗結(jié)果。
總之，簡單地證明室溫超導性是可以實現(xiàn)的已經(jīng)是向前邁出的重要一步。我們熱切期待著一個可能改變世界的新的歷史進程和發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)。
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