這兩天科學界出了大事。那就是韓國的研究團隊號稱發現了常溫常壓下也有超導體表現的「常溫超導體」材料。
論文雖然還沒正式發表,但已經先上傳到了 arxiv.org,該網站是要正式發表的學術論文都會先上傳到這個網站的樣子。
如果這個發現被證實是真的,那絕對是會改變世界遊戲規則的重大發現。
不過,自從從學校畢業後,身為局外人的我對於這件事除了看熱鬧好像也沒有什麼可以參與的方法。所以我決定用這篇文章,第一時間記錄我現在的心情,我看到這新聞真的有夠興奮。
超導體是什麼
能被稱為超導體的材料需要具備兩個特性:零電阻和完全抗磁性(麥斯納效應)。
所謂零電阻,就是內部電阻為零,電流可以完全不耗損能量的通過超導體。
抗磁性就是將材料放進磁場中,磁力線不能通過材料內部,而且因為超導體特有的「麥斯納效應」,磁力線會被排斥在超導體周圍。把超導體放到磁場上,像是磁鐵上,因為完全抗磁性的關係,它還會浮起來。
自從1911年,荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes發現汞(水銀,Hg)在4K以下的溫度電阻會變成零的特性,成為第一個被發現的超導體之後已經過了110多年,至今幾乎所有已經被發現的超導體材料都必須在低溫、高壓,或是兩者同時存在的極端條件下才能顯現超導性質。
超導體能幹嘛
超導體根本就是電子、電力上的夢幻材料。
說兩個最簡單的應用:
零電阻的超導體導線
零電阻,代表電流流過超導體的時候「不會有能量耗損」,光是做成電線傳輸電能就可以省下不知道多少能源。而且零電阻就代表超導體做成的電線可以乘載非常大的電流,所以可以做出超高效率、超強磁力的電磁鐵。
像是現在主流的核融合研究,就是用強大的磁場把電漿圍在一定範圍裡保持高溫。現在雖然也是用超導體做的線圈,但是現有的超導體必須保持低溫,要用到大量的液態氦,也就是說要消耗大量能源來冷卻線圈。
但是如果換成常溫常壓就可以運作的超導體,就可以節省可觀的能量了,讓核融合越來越成為可能。
完全抗磁性和磁浮現象
超導體抗磁性的特性可以讓自己漂浮在磁場中,甚至可以倒過來掛在空中。
而且漂浮可以承受的重量可以非常大,一個名片大的超導體,漂浮的時候就可以承載一台車的重量。所以超導體是拿來建造磁浮列車最佳的材料了。
可以想像,如果有室溫超導的話,列車可以完全不用額外能量就漂浮在空中,多夢幻啊!
但是,目前的超導體受限於低臨界溫度或是高壓才能顯現超導性質的限制,所以還沒有材料可以在日常生活中做廣泛的應用。
高溫超導體的歷史紀錄
直接看圖吧。
定下高溫超導體定義的「釔鋇銅氧」
1987年,吳茂昆和朱經武發現了臨界溫度90K以上的「釔鋇銅氧」系超導體。
此後,只要在高於液態氮的77K(約攝氏-196度),就可以被稱為「高溫超導體」。因為液態氮是最容易入手的超低溫物質之一,能在液態氮的溫度就展現出超導特性就已經是劃時代的突破。
聲稱到達室溫但是被撤稿的carbonaceous sulfur hydride
2020年,羅切斯特大學的朗加·迪亞斯(Ranga Dias)團隊合成了含碳硫化氫系統(carbonaceous sulfur hydride)的高溫超導體。其在267±10GPa的壓力下,最大臨界溫度達到287.7±1.2K(約15℃)。
研究成果發表於科學界的最高級期刊之一:Nature。但是在2022年因為Nature對paper內的data感到存疑所以被撤稿了。
目前(2023.07)的高溫超導體紀錄保持人:十氫化鑭(LaH10)
2018年,德國化學家A. P. Drozdov,等人團隊發現十氫化鑭(LaH10)在壓力170GPa,溫度250K(-23℃) 下有超導性出現。但是必須要在超高壓下才能有超導性。
今天的主角:韓國團隊的LK-99
2023年7月22日,一個材料,結構為Pb10-xCux(PO4)6O(0.9<x<1.1),被稱為LK-99的室溫、常壓超導體橫空出世。
LK-99究竟是…
韓國團隊Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim, Young-Wan Kwon發表的論文,該超導體的製作原料非常簡單,只要有硫酸鉛、氧化鉛、磷粉和銅粉,就這樣,都是非常好入手的材料。
根據論文裡的實驗步驟,這超導體的製作方法超級簡單。
第一步:製造Lanarkite Pb2(SO4)O
將PbO和PbSO4 1:1在陶瓷坩鍋中混合均勻,然後空氣中以攝氏725度鍛燒24小時。這一步文字述敘是在空氣中,圖片卻是寫要在真空中煅燒,應該是圖片錯了。
第二步:製造磷化亞銅 Cu3P
將磷粉和銅粉依比例混合(應該是莫耳數比3:1吧?),然後封入真空結晶管裡,以攝氏550度加熱48小時。
第三步:創造歷史的步驟?-合成Pb10-xCux(PO4)6O, LK-99
將第一步和第二步得到的Lanarkite和Cu3P在坩鍋中混合,封入真空結晶管,以攝氏925度加熱5-20小時。
這整個實驗步驟真的很簡單,根本就是只要有高溫爐和真空pump就可以完成的實驗。真的是只有被神眷顧的人才能發現這個室溫、常壓超導體。
LK-99的零電阻特性?
這張圖片可以看到,一直到398K,就算施加電流,量測到的電壓還是0.
根據最簡單的電學公式:
電阻=電壓/電流 移動一下位置。
電壓=電流×電阻
電阻為零,所以有電流通過電壓也等於零。所以表示是沒有電阻的。
LK-99的完全抗磁特性?
這是測DC magnetization ,簡單來說只要值小於零,材料就具有抗磁性。但是要小心,雖然超導體有抗磁性,但反過來說有抗磁性並不等於該材料就是超導體。
不過可以看到一直到400K都還是負值,這材料如果真的是超導體的話真的有夠猛。
LK-99在磁場中懸浮
作者也發表了懸浮在磁場中的影片:
https://sciencecast.org/casts/suc384jly50n
另外,作者在論文中還有提到其他超導體的性質的證明,如EPR、測量熱容量,都顯示出該材料具有超導體的特性。
根據他們團隊發表的資料,預估該超導體可以在>400K(>攝氏127度)還保有超導體的特性。雖然只能乘載7mA的電流小到不行,但是至少是個突破。也可以承受一定程度的磁場保持超導特性。
真的是重大突破...?
雖然說現在做出來的材料只有小小一塊,要用在前面開頭的應用還有很長一段距離,但是至少是個突破。常溫超導體不知道有多少物理、 化學領域的研究團隊日以繼夜焚膏繼晷前仆後繼的研究,那怕只是把溫度提高個1度,都是個突破,如今到攝氏100度還有超導體特性的材料橫空出世,叫世界上的人怎麼不興奮。
但是不要高興得太早,這種重大發現還需要其他團隊的檢視,現在世界各國研究超導體的團隊一定會磨刀霍霍,試著重複韓國團隊的實驗結果。
甚至有人在twitch上直播重複實驗的過程(笑)
以前我在念書的時候,也有讀過這種讓人翻車的論文:
A團隊發表論文,打臉B團隊的研究結果,說B團隊做出來的材料根本不是超導體。
再加上前面提到的Ranga Dias 2020年發表的15度高溫超導體被Nature撤稿,看到室溫超導體,大家真的既期待又怕受傷害。
截至目前2023/08/01,第一批想要重現實驗的實驗室們都以失敗收場。
不過,美國的勞倫斯柏克萊國家實驗室在2023/07/31於arXiv上傳了一篇理論計算的論文,說明LK-99在理論上是可行的,並指出合成該結構的挑戰性。(參考資料7)。
我們就拭目以待,到底韓國團隊的實驗結果能不能撐過世界上其他超導體專家的研究檢視,受到大家的認可,成為從此改變世界的重大發現呢?
亦或是直接彎道翻車,跌到萬劫不復的深淵,永世不得翻身呢?
真的好期待,好期待可以見證科學上的超大進步,希望這個發現是真的。
謹用這篇文章,就算只有一點點,我也想要參與這歷史時刻。
2023.08.18後續
幾個禮拜後,經過全世界研究人員的研究,已經證明了LK-99不是超導體。
終究還是翻車了T^T
參考資料
(1)論文全文The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor (arxiv.org)
(3)Superconducting materials: Challenges and opportunities for large-scale applications
(5)被撤稿論文:Retraction Note: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride
(6)十氫化鑭高溫超導論文: Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressure
(7)理論計算論文Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite
延伸閱讀:LK-99後續”它不是個超導體”,韓國的室溫超導體為什麼還是翻車了
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