2023 年 7 月 23 日，来自韩国的研究团队发表了《The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor》，宣示着世界上第一个室温常压超导体被成功发明。文章刚刊登到 arXiv 上，便掀起了全球各地的研究热潮，不少媒体竞相报道，科技市场、各种概念股也沸腾着。那么，“室温超导体”究竟是何方神圣?
超导体——能源损耗的救星?
相信大家对于这个词并不陌生、却又不甚熟悉。在中学时代理化课，我们接触过“导体”这个词;在关注科技业或者财经新闻时，可能接触过“半导体”这个词。而“超导体”（superconductor）究竟是什么?
首先，“超导”是一种物理性质，在距今大概一百多年前便被发现。最早可以追溯到 1911 年，科学家发现：将汞（水银）透过液态氦冷却至 4.2 K（相当于 -268.95 °C）时，电阻将完全消失，这便是“超导现象”的开端。因此，“低温”似乎是开启新世界的一把钥匙。而电阻消失有什么帮助?
事实上，我们生活周遭的一切都是在无穷的损耗中进行的，以电子产品和通讯设备为例，这些电路元件与器材的运作源于电流，亦即导线内部电子的游动，但这个传输过程是耗能的，因为电子会不断与导线内壁的原子碰触、摩擦，从而消耗到不少能量，同时也意味着导线寿命会随时间衰减。电路损耗的能量与电阻成正比（P = I²R），如果电阻消失了，那意味着损耗的电热能也将消失，这将大幅提升电子在线路中的传输效率，从电力传输、通讯、发电机，到交通工具、家用电器等层面，使用效能都将显着提升。
到了 1933 年，物理学家发现：当物质低于临界温度变成超导体时，会具有“完全抗磁性”，也就是原本应该穿过物体本身的磁力线会巧妙地从旁“绕过”，这个现象被称为“麦斯纳效应”（Meissner effect）。这个效应带来了超导体的“悬浮”性质，也就是在不用任何外力的接触下，在足够的低温环境中、超导体便可以藉由抗磁性让物体“悬浮”而起。我们知道，凡是有接触便有摩擦力的产生，而摩擦力会损耗不少热能，因此，如果可以不透过外力接触而操控物体、就意味着没有了摩擦力、也就可以不再担心能量的损耗。
麦斯纳效应示意图：当超导材料低于临界温度时（右），便可产生完全抗磁性。图/Wikimedia
简而言之，我们可以归纳“超导体”具有下列两大特性：
超导电性：在临界温度以下，电阻消失，意味着能量损耗可被降至最小值。
完全抗磁性（麦斯纳效应）：在临界温度以下，磁力线被排斥于物体之外，意味着超导体可具有悬浮特性。
科幻电影中，那些飞快如光的磁浮列车、悬空而起的滑板、或者看似反重力的幽浮，这些都可以透过超导实现，因此，未来世界很可能充满着各个类型的超导设备。即使在今日，相关的应用也已出现，比如日本便在数十年前研发出“超导磁浮列车”（SCMaglev），2015 年测试的最高时速即达到每小时 603 公里，刷新了地表上速度最快的列车纪录。
室温超导体——物理学的圣杯
然而，你或许也发现了，“超导体”并非唾手可得，至少需要“低温”这个条件，又或者“高压” 。
而低温不仅仅是冰点这样的温度，而是接近“绝对零度”（0 K，即 -273.15 °C） 的“极低温”，因此，开发出“高温超导体”成为了物理学家的重要目标，而这里的“高温”并不是让水煮沸、会让你烫伤的温度，而是指高于绝对温标 77 K（-196.2 °C，即液态氮的沸点）的温度。这个对人类来说已是难以想象的低温、对超导体而言却是相对的高温。截至 2023 年，人类所开发出最高温的超导体是一种名为 lanthanum decahydride（十氢化镧，LaH₁₀）的化合物，其临界温度是 250 K（-23 °C），在 200 GPa（相当于接近两百万大气压）的环境下才得以实现超导特性。
目前已知被证实的高温超导体——“十氢化镧”的化学结构。图/acs.org
由此可知，要开发出“高温超导体”实属不易，发明出“室温”、“常压”的超导体基本上更是难上加难。且液态氦、液态氮这些低温材料都是需要一定的成本，再加上要定温保存更是不易，因此，倘若室温超导体能被成功发明，这意味着不仅能大幅降低成本、还能大幅提升运作效能。
LK-99——睽违已久的圣杯、或是泡影?
回到文章一开始的新闻：2023 年 7 月下旬，韩国科学技术研究院 （KIST）以李石培、金智勋为主的研究团队宣称他们开发的材料“LK-99”在“室温”、“常压”环境下具有超导特性。这次的实验纪录号称：他们的 LK-99 材料具有室温超导特性，且上限可以到达 400 K（127 °C）这名副其实的“高温”，并且是在正常大气压力下完成的——这远远胜过上一个高温超导体 250 K、200 GPa 的纪录;不仅如此，这个“LK-99”制作过程超乎想象地简易，基本上待在实验室不用三天就可以完成!拥有这么良好特性、且制作过程又特别上手的超导材料如果被证实，势必掀起第四次工业革命。
LK-99 的晶体结构侧视图。图/https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf
让我们先来看看这个团队在论文中的研究内容：首先，这个“LK-99”是近似于 Pb₉Cu（PO₄）₆O 的化合物，从化学式来看，可以发现铅（Pb）、铜（Cu）、磷（P）这些都是不难到手的化学元素。而制作过程基本上就是研磨、混合、加热、密封、抽真空等步骤，来回大概三天以内、就能生成 Pb₉Cu（PO₄）₆O，也就是 LK-99。根据他们的论文所述，这个晶体结构的形变会在材料内部产生应力，从而在特定截面产生“超导量子阱”（superconducting quantum well，SQW），致使材料产生了超导特性。这一系列过程都在常温、常压下进行的，且LK-99的超导特性可以维持到摄氏 127 度的高温。
简单来说，这个 LK-99 的超导性质与温度、压力无关，而是肇因于晶体本身，特定的结构形变导致了物质产生超导现象。在他们发布的影片中，可以看见灰黑色的 LK-99“部分悬浮”在磁铁上，这是他们用来佐证“完全抗磁性”（麦斯纳效应） 的证据，之所以没有完美地悬浮是因为晶体的杂质所导致;此外，他们也宣称测量结果显示零电阻率，也就是电阻完全消失的“超导电性”。当“零电阻率”、“完全抗磁性”这两个条件充分具备后，LK-99 便可以被视为一个成功的室温超导体。
影片中所显示的 LK-99 具有部分悬浮的特性。图/Wikimedia
在论文推出后，世界各地的学术机构与实验室开始着手复现 LK-99 的制备过程、并竞相发表研究成果，短短不到两周时间，关于 LK-99 的复现实验以及理论相关的研究已经有二十多项。然而，截至目前（2023 年 8 月 10 日）为止，尚未有成功复现、且通过同行审核被登上期刊的成果（论文发表在学术预印本网站 arXiv，一般需要通过同行审核才有机会被刊登在期刊）。实验的成果不尽相同，有些证明了 LK-99 的悬浮与抗磁性、有些证明了零电阻率，但也有一些只有观测到电阻的跳变、有些甚至没有观测到任何结果。
一个值得注意的部分是：即使韩国研究团队的论文中宣称他们观测到 LK-99 的抗磁性，也有不少团队复现 LK-99 的悬浮特性，然而，这并不能断定它来自于“麦斯纳效应”。事实上，不少磁性物质都会有“抗磁性”，这来自于微观的分子磁矩;但超导体所具备的是由宏观“超导电流”产生的“完全抗磁性”（注意：本文目前为止强调的都是“完全”抗磁性），甚至能因麦斯纳效应产生的磁通量而“固定悬浮”在同一位置（即使将底座磁铁 180 度反转，它也应当平稳地悬浮在相同的角度——这背后是复杂的量子机制，而非磁场或静力平衡的结果）。另一方面，即使一些实验发现了该物质有“零电阻”的结果，但这并不全然等同于“零电阻率”，因为如果测量的尺寸过小、也是会有量测不出电阻的可能性。因此，目前大部分的研究指向大概是：LK-99 或许具有抗磁性，但并未被证实存在有明确的超导行为。
历史借镜与未来展望
事实上，物理学家对于室温超导的圣杯之旅一直以来从未间断。举例而言，2020 年，美国罗彻斯特大学以迪亚斯（Ranga P. Dias）为首的团队便号称开发出了一种名为 carbonaceous sulfur hydride 的超导材料，利用钻石生成，并在 288 K （15 °C）、267 GPa 的环境下具有超导特性，甚至登上《自然》期刊，但该论文在两年后因为统计分析结果的瑕疵而被撤销;2023 年初，该团队再次宣称开发出了以 lutetium hydride（氢化镥）为主的超导材料，这次的结果更令人惊艳——在 294 K （23 °C）、1 GPa（约莫一万大气压）下便具有超导特性。可惜的是，该论文后来也因为涉嫌抄袭与伪造数据而被撤下。
科学最重要的一个评判标准就是它必须是“可证伪的”（falsifiable），对于从事实验的科研人员而言，一个发明是否能被确立最关键的要素便在于实验“可复现”（repeatable） 与否。如果一个实验无法被成功复现，便很难说服学界接受研究成果。目前看来，韩国团队所研发的 LK-99 可能无法算是成功的室温超导体，不过我们也无需气馁;尽管 LK-99 的超导行为目前尚未被成功复现与证实，但多少也给人们开辟一条研究蹊径。
人类对于室温超导体的探索从未间断，物理学家们也尝试以各种材料进行研发、希冀能尽早将璀璨的远景付诸现实。虽然人们所憧憬的那种像科幻片中先进且便捷的“未来世界”可能不会在明天就来临，但以当前科学日新月异的发展步调来说，也许已是指日可待。
超导的应用早已陆续浮现在生活中，日本的超高速列车 SCMaglev 便用到了低温超导的磁浮特性。图/scmaglev.jr
