酷玩：室温超导——又要（狼）来了？

lameihua

　　如果有个标题为“某团队首次实现了室温超导”的新闻突然爆出来，你是会点进去看呢？还是直接划走？

　　01

　　很难说，今年是“室温超导”的幸运年，还是水逆之年。

　　说它幸运呢，是因为超导这个诞生了上百年的领域，从未像今年这样，吸引到如此多的普通人的关注，而且还成为了资本市场的明星概念。

　　说它遭遇水逆呢，是因为将它推上风口浪尖的两个新闻：

　　3月7日，以美国罗切斯特大学助理教授Ranga P. Dias为首的科研团队宣布，他们在约1GPa（一万个大气压）的压强、21℃的温度下，

　　观察到氮镥氢化物上存在超导现象。

　　站立者为Ranga P. Dias

　　7月25日，隶属于一家名为“量子能源研究中心”的韩国公司的三人团队发表了两篇论文，宣称发现了室温常压超导材料——LK99（掺杂铜的铅磷灰石）。

　　LK99晶体

　　在今年即将结束前，都已被贴上了“狼来了”的标签。

　　11月7日，自然杂志撤回了Dias发表的多篇有关室温超导的论文。

　　Dias本人也需要接受关于他学术不端（捏造数据、弄虚作假）的指控调查。

　　12月13日，（网传）韩国“超导低温学会验证委员会”发布白皮书称，

　　在综合考量原论文数据和国内外复现的实验结果后，认定完全没有证据可证明 LK-99 是常温常压超导体。

　　室温超导，依然还只是一种存在于想象中的超级技术。

　　而这两个引爆世界关注的“标题党”，也让很多关注科技发展的朋友，一看到有关室温超导的新闻，就直接划走。

　　因为，太TM欺骗精力和感情了！还一轮又一轮的没完没了！

　　这不，某乎昨天又出了个关于室温超导的话题。

　　正常情况下，我是肯定不会再关注这个领域的新闻的。但正是视线停留的0.2s让我注意到——这次的主角是中国的研究团队。

　　本着支持“国产”的原则，我点进去看了。虽然原本没抱太大的希望，毕竟，这个领域哗众取宠的“前科”历历在目。

　　然而，当我深读了其原始论文后发现，事情开始变得有意思了起来。

　　02

　　这篇发表在预印本网站Arxiv上的论文标题——Strange memory effect of low-field microwave absorption in copper-substituted lead apatite，

　　翻译过来是《铜掺杂铅磷灰石的低场微波吸收的奇异记忆效应》。

　　Hmmmm……

　　标题就看不懂，不过这意味着，中国团队似乎没有像韩国团队那样有搞个大新闻的打算，可信度大幅度提升！

　　但问题是，超导呢？超导去哪儿了？

　　随着我继续深入研读正文，原来是他们制备了一种材料，也就是铜掺杂铅磷灰石，发现了这种材料具备某些类似超导的特性。

　　等等……

　　铜掺杂铅磷灰石？？

　　这不就是LK-99韩国团队制备的那种材料吗？？

　　还真是这样！

　　甚至这个中国团队的制备方法，也是沿袭了韩国LK-99团队的技术路线，也就是简单的混合加热。

　　具体来说，就是将PbO和 Pb（SO?） 粉末按照1:1的摩尔比例混合加热（725℃，24h）生成Pb?（SO?）O；

　　再将铜（Cu）和磷（P）粉末按照3:1的摩尔比例混合加热（550℃，48h）生成Cu?P 。

　　之后，再将Pb?（SO?）O和Cu?P 按照1:1的摩尔比例混合加热（925℃，5—20h），最终生成了实验用的材料——铜掺杂铅磷灰石。

　　这不禁令人汗流浃背。

　　因为我之前曾经对LK-99下过不成熟的判断，难道这还能翻盘？？

　　当然，这个中国团队没有直接测出超导，也没有去做磁悬浮实验，而是用了一个间接的方法。

　　抗磁性导致的悬浮

　　将这种材料放置到磁场和低温环境中后，又对着它们发射微波（频率在300—300GHz间的电磁波）。

　　之后，利用所谓电子顺磁共振波谱仪，测得了该材料对微波的吸收谱线。

　　然后他们发现，这个吸收谱线的特性，与超导材料的一些独特特性，非常相似。

　　于是他们据此认为，这种材料可能确实包含某些超导物质。

　　这是怎么回事呢？

　　03

　　很多人应该都听说过隐形战斗机。

　　当然啦，这里的“隐形”并不是科幻电影里那种视觉上的隐形，而是通过在机身涂上一层吸收电磁波的物质，躲避雷达的追踪。

　　吸收电磁波的原理是通过某种物理机制将波能转化为其他形式运动的能量，最终化为热能，而不是再次反射出去。

　　雷达发出的波被战机的隐身材料吸收掉，自然就无法通过反射波发现战机的存在。

　　反过来看，如果有个仪器一直在监测雷达发出的波。

　　没有战机路过时，波形是一种样子，当隐身战机通过时，一部分波被吸收掉了，波形是不是就变了？

　　通过提取这种变化，就可以画出波的吸收光谱。而这，便是电子顺磁共振波谱仪EPR的工作方式。

　　微波（雷达）照射实验材料（战机），材料的某种特性产生了对微波的吸收作用。同时，EPR监测到微波波形的变化，绘制出了吸收光谱。

　　而当研究人员用微波去照射实验材料时，奇怪的事情发生了。

　　他们发现了题目里的所谓“奇异记忆效应”，也就是实验材料似乎能记住它吸收过微波这件事，吸饱了就不吸了……

　　由于该论文中没有实验照片，也没有示意图，我们只好想象下这个过程。

　　假设我们把材料放置在某个低温容器（180K，-93℃）中，受到一个固定方向的磁场影响。

　　这时候我们做一个操作，让它顺时针转起来，并改变磁场的强度。

　　具体来说，每旋转10°，就定下来，将磁场强度从0一直增加到5000高斯，再旋转10°，定下来，再将磁场强度从0一直增加到5000高斯，如此反复。

　　然后就发现，当转到50°时，吸收谱的一阶导数曲线在0值附近徘徊（下图绿线）。

　　随着角度继续增大，吸收谱的强度迅速降低，直至几乎为0（下图灰框中的曲线）

　　之后，无论是继续将样品旋转到其初始角度，还是将磁场增强到9600高斯，信号都几无变化。

　　这意味着，材料对微波的吸收已经饱和，简单来说就是：吸饱了。

　　随着材料的旋转，它在不同的磁场方向上都吸饱了，需要在日常环境中放两天，才能恢复对微波的吸收能力，这就是文中提到的“对磁场取向的奇异记忆效应”。

　　至此，我们终于看懂了这篇论文的题目——《铜掺杂铅磷灰石的低场微波吸收的奇异记忆效应》。

　　但这跟超导又有什么关系呢？

　　因为这种效应是一种超导体特有的效应！

　　04

　　以往的研究发现，由于存在所谓的涡旋，大多数超导体都具有低场微波吸收效应（LFMA）。

　　说人话就是在比较低的磁场下，会吸收微波。

　　而所谓涡旋，指的是对第二类超导体施加磁场时，其内部产生的一种量子效应。它又被称为通量子（Fluxon），可以在超导体内移动。

　　超导体内产生涡旋（蓝色小圈）的模拟图

　　涡旋是导致超导体吸收微波的因素，而由于更高的磁场会感应出更多的涡旋。

　　超导体在较低的磁场下，它的微波吸收效应和磁场强度会呈正相关的关系，也就是导数大于0。

　　吸收谱线（上）及其一阶导数曲线（下）

　　而在本文的研究中，实验材料在低于500高斯磁场强度下的吸收信号导数值的确都是正的。

　　据此，文中写道：“这意味着存在超导性（implying the presence of superconductivity）。”

　　或许是这个结论的得出过程不够有说服力，研究人员又做了其他实验来进一步论证它，也就是之后的旋转实验。

　　当发现“奇异的记忆效应”后，文中写道：

　　“涡旋蠕变（votex creep）和消失过程十分缓慢（像液态玻璃流动），从而产生了记忆效应……长时间存在的涡旋只能被认为源于超导。”

　　说得相当明确了：这种材料中存在超导效应！

　　而后，该团队又在500高斯以内的低磁场下（论文中未指出具体大小），进一步测得了吸收谱的导数最大值随温度变化的曲线。

　　随着温度的升高，它先是增加，然后从190 K急剧下降。当温度来到约250K后，数值几乎不再变化（趋于零），即体现不了出现涡旋的特征。

　　据此，可以认为临界温度就是250K，也就是大约-23℃。

　　所以这就是室温（东北冬天不开暖气）超导材料！

　　05

　　当然啦，即便实验表明这种铜掺杂铅磷灰石材料具有某些超导效应，也不能断言它就一定是超导材料。

　　因为超导最终开始要靠测电阻和做磁悬浮实验才能证明。

　　这个中国团队既没有做磁悬浮实验，也没有测它的电阻。

　　不过我们也可以从中看出，虽然公众对LK-99的关注已经降温了，但学术界的争论并未停止。

　　还是有一些科学家认为，之前之所以没有测出LK-99的超导，是因为没有办法在不破坏这种粉末状材料结构的前提下，对它进行精确的测量。

　　所以，才会有人想到用一些间接的方法绕着去做测量。

　　或许，学术界根本就不在乎韩国那个“超导低温学会验证委员会”所发布的白皮书。

　　你发布你的结论，我继续我的实验。

　　只要存在一丁点可能性，就值得投入百分百的热情。

　　你看，这不又取得了点值得深入探讨的新发现了吗！

　　PS：由于论文只是预印本，还未通过同行审议，即该论文还未正式得到学界认可发表。因此，它的价值到底几何，让我们拭目以待吧！