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【產業動態】常溫超導體是什麼,物理界聖杯問世了嗎!?

常溫超導體被視為現代物理學「聖杯」之一,南韓研究團隊投下的震撼彈再次引爆物理學界,在一場近乎超現實的情境下,來自南韓的研究團隊最近公開了他們對一種新材料的研究結果,聲稱這是世界上首個在常壓環境下運作的常溫超導體 (Room-Temperature Superconductor),這讓世界各地的科學家和科學愛好者陷入了震驚、興奮、和暫時的憤世嫉俗之中,到底他們的論文報告了什麼,這些發現是否屬實,如果屬實的話又會有什麼重大影響?


超導體是可以零電阻導電的材料,在普通導體(如銅線)中,當電流流過它們時,由於電子相互碰撞和排斥,一些能量會以熱量的形式損失掉,但在超導體中,這種能量損失被完全消除,這使得它們成為極其高效的電導體,表示它們可以攜帶大量電力,而不會產生浪費的熱量或沿途損失能量;如果這一突破得到驗證,可能會徹底改變從電力傳輸、到醫學成像等各個產業;然而,科學界仍然保持謹慎態度,等待這篇論文得到進一步驗證。

LK-99 partially levitating, Hyun-Tak Kim et al. (2023)
LK-99 partially levitating, Hyun-Tak Kim et al. (2023)

研究人員聲稱創造出常溫超導體


研究論文常常登上報紙,宣稱對社會的重大改變的預測;然而,在這些故事中,從未有任何真正重要的東西出現在這些論文中,對研究的宏偉描述很快就會消失在無垠的深淵中。


然而,於2023年7月22日,韓國團隊在arXiv上發表了兩篇論文,聲稱他們的超導新材料 LK-99 (鉛磷灰石)“ 為人類開啟了一個新時代,他們透過混合幾種含有鉛、氧、硫和磷的化合物,並將它們置於極熱狀態幾個小時來製造 LK-99,這項宣稱引起了科學界的極大關注,研究人員聲稱,他們創造出一種在常溫和常壓下運作的超導體,這在過去被認為是不可能實現的壯舉;如果他們的主張經得起科學檢驗,那麼這項新工作將確實非同尋常,因此研究團隊的舉證責任同樣特殊;事實上,之前一些關於超導技術突破的報告後來被撤回,而其他團隊未能複制這些結果。


雖然先前已經設計出其他高溫度的超導體材料,但它們通常只在極端的壓力下運作,大多數超導材料必須處於非常低的溫度,通常接近絕對零(-459°F,-273°C)或非常高的壓力(超過大氣壓的 100,000 倍),才能表現出超導性,如同行星核心的壓力般;這表示它們無法實際應用;當前利用超導體的實際使用成本很高,它們用於關鍵應用,其獨特的性能超過了成本考慮,如醫學影像系統中的應用,包括:粒子加速器和核磁共振機 (MRI) 利用超導磁體產生強磁場,以進行詳細的醫學成像,使它們對於小型系統來說不切實際。

Image source: Siemens Healthineers
Image source: Siemens Healthineers

LK-99:聲稱的常溫超導體


研究人員所聲稱的是一種在高達攝氏100度(華氏212度)和常壓下運作的實用超導體,這種名為LK-99的新材料是一種由鉛、硫和銅組成的複合陶瓷;為了創造出這種新材料LK-99,研究人員混合了幾種含有鉛、氧、硫和磷的粉末化合物,然後在高溫下加熱數小時。這個過程產生了一種深灰色的固體;當他們在不同溫度下測量LK-99毫米級樣本的電阻率時,他們發現它從攝氏105度(華氏221度)的顯著正值急劇下降,直到攝氏30度(華氏86度)接近零。


LK-99的超導性通過臨界溫度(Tc, 超導轉變溫度,也就是超導體由正常態進入超導態的溫度)、零電阻率、臨界電流(Ic)、臨界磁場(Hc)和邁斯納效應表現出來,源於輕微的體積收縮引起的微小結構變形( 0.48 %),不受溫度、壓力等外部因素影響,LK-99獨特的結構允許在界面中保持微小的扭曲結構,這是LK-99在室溫和環境壓力下保持並表現出超導性的最重要因素。


收縮是由Cu2+取代Pb(2)-磷酸鹽絕緣網路中的Pb2+(2)離子引起的,並產生應力,熱容結果表明新模型適合解釋LK-99的超導性,LK-99材料是一種改性鉛磷灰石晶體結構,其組成為Pb10−xCux(PO4)6O (0.9<x<1.1),採用固態方法合成,並表現出Pb(6s1)的歐姆金屬特性高於其超導臨界溫度Tc,以及低於Tc 的室溫和大氣壓下超導體的懸浮現象(邁斯納效應),LK-99 樣本顯示 Tc 高於 126.85∘C (400 K)。


這項所謂的發現之所以至關重要,是因為製造這種材料所需的設備便宜且易於取得,而且該論文中概述的指導步驟(尚未經過同行評審)易於遵循。

作為他們研究的證據,他們展示了兩段新超導體在常溫條件下運作的影片,其中包括在一個大磁鐵上的部分懸浮,根據研究人員的說法,他們材料的不純性導致了部分超導體,這表示他們的樣本無法實現完全懸浮(邁斯納效應 (Meissner effect):超導體放置在傳統磁鐵上時會漂浮,即該材料從其內部排出磁場),LK-99 的部分懸浮過程被拍攝到現在正在瘋傳的視頻中。



從研究論文來看,乍看並沒有什麼不尋常的地方,例如,他們的數據和表格與一種具有超導特性的材料相符,這些數據和表格呈現出了超導性質材料的特徵,當溫度超過攝氏100度時,電阻急劇增加,更有趣的是,研究人員發布的其中一段影片確實顯示了邁斯納效應 (Meissner effect);然而,這個扁平的硬幣狀材料只有一個邊緣完全懸浮,而另一個似乎仍與磁鐵接觸,根據金博士的說法,這是由於樣本存在不完美之處,這表示它只有部分部分會變成超導體,並呈現出邁斯納效應。


這些影片雖然引人入勝,但並不能明確證明超導性;然而它們確實為研究人員的宣稱添加了 “吸睛” 的要素,並在科學界引起了廣泛的討論;由於這項消息最近才發布,整個物理學界都在屏息以待,其他研究人員則嘗試模仿論文中公佈的結果,考慮到製造這種陶瓷只需要一兩天的時間,其他人很快就能驗證結果的真實性,或者將這篇論文視為科學異端。

科學界能夠驗證或否定這些發現的速度,證明了現代研究的快速節奏,這也強調了同行評審和獨立驗證在維護科學發現的完整性方面的重要性;研究人員的發現是否屬實很難判斷,但有一個積極的事實是,媒體並沒有爆出 "革命性新材料" 和 "綠色未來即將到來" 這類標題,表示媒體終於學會謹慎地處理新的進展和公告,會在發佈內容之前進行背景檢查和數據驗證。


專家對常溫超導體的看法


牛津大學的材料科學教授 Susannah SpellerChris Grovenor對韓國研究人員的聲稱表示懷疑,他們認為當材料變成超導體時,在多個量測中應該會有明顯的超導特徵,包括兩個關鍵數據點——磁化強度變化和熱容量——在三人組提供的數據中並不明顯,「因此,現在說我們已經獲得了這些樣品中超導性的令人信服的證據還為時過早」Speller表示;他們補充說,這篇論文很有趣,但結果並不完全令人信服。


《New Scientist》諮詢的其他專家,對這些結果和數據也表示了類似的懷疑,一些專家提出擔憂,一些結果可能可以透過實驗程序中的錯誤以及LK-99樣本的不完美來解釋。


金博士及其同事引用的理論模型,解釋了為什麼這種新材料,可以在與所有先前材料非常不同的條件下進行超導,其中一名《New Scientist》採訪的研究人員對此表示質疑。


儘管存在懷疑,參與該研究的研究人員之一金炫德(Hyun-Tak Kim)認為,其他研究人員應該嘗試複製他們團隊的工作來解決問題;他表示,一旦這些研究結果在經過同行評審的期刊上發表,他將支持任何想要為自己創建和測試LK-99的人,與此同時,他和他的同事將繼續努力完善所謂的奇蹟超導體的樣本,並朝著大規模生產的方向邁進;金賢澤對於審查的開放態度以及他進一步完善工作的承諾是值得讚揚的。正是通過這種嚴格的過程,科學才能取得進步。



根據戴夫·瓊斯(Dave Jones)的說法,銅板的移動是由於倫茨定律 (Lenz’s Law),即當變化的磁場在銅板中誘導出電流,並產生一個與原始磁場相對抗的磁場,雖然乍看之下可能是這種情況,但仔細觀察後,所謂的超導體在運動停止後迅速與磁場對齊,呈現出邁斯納效應的樣貌,這種運動微妙而迅速。


瓊斯的分析為研究人員的聲稱提供了有價值的對立觀點,這強調了科學研究中嚴格的審查的重要性,以及在提出如此重大的主張時需要清晰、明確的證據;其他人指出,在所謂的超導體中觀察到的懸浮,可能是由於磁遞減效應,這本身可能是實際的,但絕不是一種超導體;還應該指出,這篇論文本身存在一些錯誤,該論文的一名原始作者不同意發表該論文,這表明研究人員之間存在內部摩擦。


很可惜地,在論文公布26天後,2023年8月16日科學期刊《自然Nature》給予此次發表重重的一擊。曾任職於費米實驗室(Fermilab)的科學家丹·格里斯托(Dan Garisto)撰文表示:在最近的研究中,他匯總了連續幾天位於全球各大實驗室陸續研究的室溫超導實驗,將來自每個研究機構的數據結果匯整在一起,經過他的分析,揭示出了為什麼LK-99在某些方面表現出了類似超導的特性。就初步來說,世界各地科學家們的研究結果顯示,LK-99的特性來源並不是由於超導體性質,而是受到材料中雜質的影響,尤其是硫化亞銅Cu2S。這一結論也改變了對於LK-99是「室溫超導體的突破」的期望。加州大學戴維斯分校的凝聚態實驗家英娜·維希克(Inna Vishik)也表示:「我認為,大家這對於這個議題可以有一個明確的結論了。」


如果 ”聖杯” 超導問世,會有什麼影響呢?


以目前結果來說,我們可能得很遺憾的表示,這數十天來大家興奮地期待得到了落空的結果;然而,如果這種材料被證明是一種超導體,其影響將是極大的,常溫超導體的潛在影響是不容小覷的;然而,同樣重要的是,在這些主張被徹底驗證之前,要以一定的懷疑態度來看待它們。


首先,開發出常溫超導體,將使得無損耗電力傳輸成為可能,從電網中的大型變壓器到行動裝置中使用的小型晶片,由於超導體中沒有電阻,電路中不會產生熱量,這不僅可以節省大量的能源(特別是用於電力分配),還可以延長設備在電池上的使用壽命;根據南加州大學電氣工程教授 Massoud Pedram 的估計,使用超導線,電網效率將提高約 20%,由於電線中的電阻,每年都會浪費大量能源(約9.49 億噸二氧化碳當量),缺乏阻力將有利於全球經濟和環境;據美國能源部稱,即使是這些高溫超導線,僅美國每年就可以節省數千億美元的能源分配成本。


其次,常溫超導體將能夠驅動無摩擦的交通運輸系統,主要是運行在軌道上的系統,這種運輸方式結合了飛機和鐵路的優點,使火車能夠以高速移動,同時不受軌道摩擦的影響,這不僅降低了這些交通工具的能源消耗,還能實現相對於傳統軌道系統的更高速度。

常溫超導體還將為醫學影像提供更便宜的解決方案,因為不再需要液氮、液氦,或者為了使這些系統運作所需的基礎設施,這將使得先進的掃描系統在醫療環境中更加普遍,從而增加了高品質醫療保健的機會。


常溫超導體的潛在益處遠不止於這些例子。它們可以徹底改變廣泛的產業和技術,從可再生能源到量子計算,目前許多量子計算實驗都依賴高溫超導體來操縱和存儲量子位,超導體對於量子位至關重要,因為它們表現出零電阻和高相干性,使它們能夠保持微妙的量子態,而不會受到外部影響或能量損失的任何干擾;有了室溫超導體,就不再需要將這些量子位封裝在昂貴且複雜的低溫冷卻系統中;此外,計算元件的阻力和能量損失最小化,資料中心的服務器也會經歷類似的速度提升,因此,嚴重依賴數據中心運營的企業,將體驗到效率的提高和成本的節省。


其他將從室溫超導體中獲得效率提升的技術,包括;電信基礎設施和物聯網設備,而傳感器(如醫學、製造和航太領域使用的傳感器)的靈敏度將會提高。韓國研究人員此次提出的聲稱無疑令人振奮,即便最終成果並沒有真的實現常溫超導,但或許也帶給科學界一個方向朝著新的目標研究,同時這也提醒我們嚴格的科學審查的重要性。只有通過仔細的驗證和複製,我們才能確定這些聲稱的真實性,並有可能開啟一個新的技術進步時代。


文章參考來源:techhqElectropagesEENew Europe

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