LK-99，未来的“室温超导体“？什么是导体和超导体？

在过去的几天里，我一直在疯狂地重新加载Twitter 帐户，试图尽可能多地了解LK-99 ，这是韩国物理学家团队声称已经发现的所谓室温、常压超导体。

这可能是在我了解超导体是什么，或者为什么它在室温或环境压力下很重要之后一周。但几天之内，我从几乎完全无知到对这项技术所带来的可能性感到非常高兴。当然，前提是它是真实的。

你也可以经历从无知到眩晕的旅程。如何制造和研究超导材料的细节非常复杂，并且相关工作是由在该领域最前沿工作的大型物理学家团队完成的。但相比之下，其重要性的科学原理却相对简单。

如果可能的话，室温超导将为惊人的技术突破打开大门。它可以使电力传输更加高效；导致充电速度更快、容量更高的电池；实现实用的无碳核聚变能源；并使量子计算（即使是现有最快的计算机也能够解决过于复杂的问题的计算机）在更大范围内变得可行。

一种用途广泛、易于制造、能够在常温下运行的超导体将是一个巨大的突破。一些评论家将其与 1947 年晶体管的发明进行了比较，如果没有这项技术，计算领域随后数十年的进步就不可能实现。即使 LK-99 本身并不是那么重大的突破，但它的出现总体上重新唤起了公众对超导的兴趣，并有效地提醒人们这一领域的进步可能有多么有价值。

导体和超导体的解释

让我们从最基础的开始；如果您是一名电工或者比我记得更多的高中物理，请随意跳过这一部分。（抱歉，梅尔巴赫先生，我忘了这一切。）

电流比其他材料更容易通过某些材料。如果一种材料很容易导电，那么它就被称为导体；如果不是，则它是绝缘体。大多数金属都是很好的导体，尤其是铜，这就是为什么它经常用于电线。（银更好，但更贵。）玻璃、塑料和木材是良好的绝缘体。我使用“相当好”和“非常好”等术语，因为电导率是一个频谱。铜不能完美地传输电荷；它提供了一定的阻力，这意味着一路上会有一些电力损失，只是比大多数材料少得多。

最极端的是超导体，它具有真正的零电阻和完美的导电性。这种材料的存在实在是太疯狂了。普通导体在冷却时导电性会增强，而在升温时导电性会减弱，但这种变化是连续的。相比之下，超导体具有称为“转变温度”的严格阈值，在该阈值下材料突然变成超导体。更重要的是，大多数超导体工作背后的理论（“ BCS理论”，其背后的物理学家姓氏的缩写）是惊人的简单和优雅。

“这是关于凝聚态物质的最好的理论之一，”罗马第一大学的物理学教授、超导领域的顶尖研究员莉莉娅·博埃里 (Lilia Boeri) 告诉我。“这有点像魔法。效果非常好。”

物理学家自 1911 年起就知道超导体的存在，如果没有超导体， MRI 机器等许多现有技术就不可能实现。但总有一个问题。迄今为止，唯一已知的超导体必须要么是极冷的（例如铅，在负 447 华氏度下具有超导性），要么是由仅在极高压力下形成的材料制成。（相当高——最近一篇备受争议的论文提出，一种材料在 10,000 倍大气压下形成，大约是太平洋底部压力的10 倍，怀疑论者认为对于制造超导体来说这个压力低得令人怀疑） 。使物质变得超冷和/或对其施加大量压力需要大量能量，这反过来又会削弱您从超导体中获得的一些好处。

在某些情况下，比如核磁共振成像，花费这些能量是值得的。MRI 需要产生比地球强 30,000 倍的磁场，以便定位人体中的氢原子核，以便对其进行有效成像；使用液氦来冷却由铌钛合金制成的线是很麻烦的，但是使这种磁体成为可能。然而，对于 MRI 之外的大多数用途来说，制造超导体就有点矫枉过正了。

室温、环境压力的超导体将消除这种权衡。制造像 MRI 机器中使用的那种极其强大的磁铁不需要极冷的温度；如果这种假设的超导材料足够容易制造，那么您就可以制造出功能更强大的 MRI 机器，其所用能源只是现在的一小部分。

但这只是开始。

一个没有断电的世界

医学成像并不是人们唯一依赖大型强力磁铁的行业。超导体用于某些类型的磁悬浮（磁悬浮）列车：列车不是沿着车轮轨道推进，而是漂浮在轨道上方并由磁力推动。由于没有轨道的物理摩擦，磁悬浮列车可以达到极高的速度。上海运行中的商业磁悬浮列车时速可达 268 英里，而日本的测试超导磁悬浮系统在 2015 年达到了惊人的373 英里每小时。室温超导可以使此类系统的制造和操作变得更容易、更便宜。

在磁铁世界之外，长距离或长时间零损耗输电的潜力可能更具变革性。超导体已经在某些有限的应用中用于储存能量。它们的使用方式与电池很相似，但它们的工作原理完全不同。电池——从金霸王 AA 电池到容量约为 100 kWh 的Tesla锂离子电池——以化学方式储存能量，并将其转化为可用电力。这必然会带来一些能量损失和低效率。超导磁储能相比之下，SMES 只是一条环形超导线：一种电子无限旋转的圆形超导体，永远不会遇到阻力。它只是一种不断流动、无限流动、没有损耗的电流。

这些系统能够瞬间释放大量电力，这使得它们在普通电源突然断电的情况下可以作为备用电源。但目前，将此类系统保持在足够低的温度以实现超导需要巨大的能量，这使得它们的应用受到限制。但如果超导可以在更正常的温度下发生，SMES系统的用途可能会更加广泛，因为与电池相比，它们的高效率、耐用性和充电/放电速度可能非常有吸引力，特别是对于依赖于间歇性可再生能源的贮存。

超导对于许多核聚变反应堆设计也很重要。几十年来，物理学家一直试图通过迫使原子聚集在一起来发电，这与为太阳和其他恒星提供动力的过程相同，希望利用一种无碳能源，但比核裂变更安全、更高效。虽然氢弹的创造者在 1952 年能够以不受控制的方式做到这一点，但以受控的方式做到这一点，能够产生可用的电力，需要以某种方式控制反应。一个常见的理论是使用非常强大的磁铁，而一些设计，例如法国的 ITER（前身为国际热核实验反应堆），依靠超导体来产生磁力。

维持超低温以使超导体工作是 ITER 和类似设计的主要能量消耗之一，反应堆需要克服这一问题才能实现正能量。如果不需要克服这个障碍，还有更多的可能。那么，更好的超导材料，或者需要更少冷却的材料，可以让我们更接近产生净功率的聚变反应堆。

然后是量子计算。就像融合一样，量子计算是一项长期承诺的突破，有望以比普通计算机更高的速度和精度执行某些计算。研究量子计算的顶尖物理学家John Preskill写道，“我们有充分的理由相信量子计算机将能够有效地模拟自然界中发生的任何过程”，从而使产品和系统的开发更加有效和高效比今天存在的任何东西都要多。

量子计算的最新进展都是由依赖超导体工作的系统驱动的，比如谷歌的 Sycamore 处理器。将这些超导体冷却到极低温度的需要限制了量子计算机的实际用途：即使添加一根电线以便可以从超冷超导体传输计算，也有可能使它们过度升温。室温或更实用的温度超导体将在那里提供巨大的帮助。

“一切都结束了”与“我们回来了”

因此，如果室温超导体真的存在的话，那将会非常酷。这就引出了一个显而易见的问题：所谓的超导体 LK-99 是真的吗？

简短的回答是，我不知道，其他人也不知道。世界各地的实验室，有时还有个人爱好者，一直在疯狂地尝试自己制造这种材料并进行测试，看看它是否真的可以在高温下超导，到目前为止，结果好坏参半。当参与者对结果进行押注时，预测市场的赔率差异很大。

亚历克斯·卡普兰 (Alex Kaplan ) 白天在一家咖啡初创公司担任咖啡产品负责人，但拥有物理学学士学位，最近作为跟踪 LK-99 的 Twitter 帮派头目而获得了一定的声誉。他很好地叙述了情感的进展。首先，他很兴奋。他的物理学家朋友们都很兴奋，他发布了一条推文，截至​​撰写本文时，浏览量已达 3000 万，宣称这可能是“我一生中最大的物理发现”。

然后，反驳证据开始堆积起来。这些物理学家实际上发表了两篇论文（都是预印本，尚未经过同行评审）：其中一篇有三位作者——Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim 和 Young-Wan Kwon（顺便说一句，三人是可以发表论文的最大人数）。分享诺贝尔物理学奖），然后一比六。这些论文有显着的、有些可疑的差异。两位合著者（一位仅在六位作者论文中列出，另一位在两篇论文中均列出）告诉新闻机构，该作品是在未经他们许可的情况下发表的。六位作者论文中的一张图表似乎表明该材料不是超导体，并且在常温下确实仍然具有很大的电阻。后来发现该团队撰写了一篇单独的论文，该论文实际上经过了同行评审，并于几个月前在韩国期刊上发表。卡普兰指出，“情节都与后来的论文不同”。“当我看到的时候，我就想，‘一切都结束了。’”

然后它咆哮着回来了——有点像。劳伦斯伯克利国家实验室备受尊敬的物理学家 Sinéad Griffin 发表了一篇理论论文，报告了该材料的计算机模型的结果。格里芬在一周内写下了这篇论文，但这是她十年或更长时间以来思考的工作的顶峰。“十年前我有一篇论文研究了类似的东西，”她告诉我。“我立刻就知道它的有趣之处。”

她发现的最引人注目的结果是右图中间的小黄线：

这条平坦的黄线被恰当地称为“平坦带”。格里芬告诉我，像上面这样的图表被称为“意大利面条图”，原因显而易见，它们充当“电子在材料中可以做什么的地图”。“通常在正常的意大利面条图中，有很多山丘和低谷。原子彼此靠近并相互作用。”

如果没有山丘和低谷，则意味着原子之间的相互作用不多。“在材料中看到的很奇怪：原子很接近，你往往不会有这些平坦的带，”格里芬继续说道。“由此产生的物理结果是，有很多电子被推入相同的范围。” 然后这些电子相互作用。这种相互作用的奇怪结果之一就是超导性。

一些观察家猛烈抨击格里芬的论文和随后的 模型 研究作为 LK-99 确实是超导体的证据，但格里芬本人则谨慎得多。超导是这样的结构可能能够做到的事情之一，但不是唯一的：平带有时与“金属/绝缘体转变”相关，在这种转变中，材料从导电变为绝缘体，但不导电。根本不进行行为。换句话说，与超导体完全相反。

她的下一步是使用更先进的建模技术来确定材料的扁平带和其他奇怪特征的含义。“我使用的方法是一个很好的第一步，但它有其局限性，”她解释道。

与此同时，世界各地的物理学家和工程师一直在尝试自己制造这种材料。商业航天公司 Varda Space Industries 的工程师安德鲁·麦卡利普 (Andrew McCalip) 一直在推特上直播他的尝试，最终他创造了一块放在磁铁上时会漂浮的岩石。LK-99 论文的原始作者在他们的样本中也声称这种行为可能是与超导性相关的迈斯纳效应的证据。但它也可能是许多其他磁反应的结果。

华中科技大学的研究人员也报告了同样的结果，艾里斯·亚历山德拉（Iris Alexandra）也是如此，她是一位化名的推特用户，头像是动漫，自称是俄罗斯的土壤科学家。（我个人觉得华中队在这里最引人注目，但功劳必须归功于最先到达那里的宅男。）

到目前为止，真的很难知道如何看待这些尝试。从远处无法知道这些团队正在分析的材料是否与原始 LK-99 团队创建的材料相同，也无法独立验证对这些材料的分析。更重要的是，到目前为止，还没有证据确实表明该材料的电阻率为零，而我们需要证明这一点才能知道它是超导体。

“我不知道为什么这份报告引起了如此多的关注，”意大利物理学家博埃里说。“总是有定期报告[像这样]。这完全是奇怪的，是某种病毒式的故事。”

她担心这可能会分散超导领域其他研究工作的注意力，例如涉及氢化物的研究：氢化物是氢和其他元素结合而成的材料，在超导情况下，迄今为止只能在重压下形成。一种希望是，一些在这种压力下形成的材料在释放到更正常的温度时可以保持活力和超导性。“这是人们可以想象的规模化的事情，”博埃里说。“用这种方法制造的材料与常压下的材料不同。”

关于 LK-99 的主张是非凡的，我们知道非凡的主张需要什么。根据迄今为止提供的证据，与我交谈的物理学家认为没有理由相信它是超导体。但即使 LK-99 无法复制为超导体，当前的喧​​嚣也很好地提醒我们，更好的高温超导体有多么有用。博埃里指出，对于许多应用来说，甚至不需要“室温”的超导体：如果超导体只需要用液氮而不是液氦来冷却，那就是一个巨大的优势和节能效果。现有的“高温”超导体通过了该测试，但对于大多数实际用途来说太脆了。

也许从 LK-99 的愤怒中得到的最好结果是重新投资并专注于尝试在更高温度下获得更实用的超导体。获胜者可能不是LK-99。但目前可能存在一种具有类似神奇特性的材料。