韩国科研团队于7月26日宣称发现了一种名为LK-99的“室温超导”材料，这一发现迅速引发了全球科学界的关注。美国劳伦斯伯克利国家实验室的计算机模拟结果甚至为这一宣称提供了理论支持，吸引了众多研究团队投入到试验复现中。部分用户甚至感慨“见证历史”。然而，由于试验结果存在差异，加之论文中存在多处疑点，且未正式公开发表，LK-99是否为室温超导体的结论仍笼罩在阴影之下。
争议中的LK-99很快迎来反转。8月2日，韩国超导学会宣布成立“LK-99 验证委员会”，随后8月3日，“验证委员会”宣布LK-99未表现出迈斯纳效应，无法证明其超导体身份，所谓的“第四次工业革命”在数日内宣告结束。
抛开现象看本质，什么是超导、高温超导、室温超导？它们的特性和差别在哪里？为什么说室温超导能引发如此轰动？目前科学界对室温超导的研究有哪些路径，取得了什么样的成果？腾讯新闻特邀中科院物理所研究院、科普作家罗会仟，通过线上直播解读室温超导的相关知识。以下为直播实录的脱水版：
### 超导那点事儿
**Q：历史上，是谁率先发现了超导现象，它产生的必要条件是什么？**
**罗会仟：**超导研究的历史长达112年。1911年，荷兰莱顿大学的卡莫林-昂尼斯团队在研究低温金属导电性时，意外发现水银在温度降至4.2K（摄氏度-269℃）以下时电阻消失，这一现象被称为超级导电，即进入最完美的导电状态。1933年，沃尔特·迈斯纳发现了超导的另一个重要现象——完全抗磁性，即进入超导态后，磁场无法进入超导体内部，形成抵御外磁场的能力，磁化率等于-1。总结来说，超导材料的关键特征有两个：一是电阻彻底消失，达到绝对零电阻；二是进入超导态后具备完全的抗磁性。
**Q：很多科幻作品在探索超导应用，现实情况如何，它们又带来了哪些价值？**
**罗会仟：**科幻作品中经常出现超导技术的应用场景，例如《阿凡达》中的磁悬浮山体和《太空旅客》中的人工可控核聚变发动机。现实中，超导技术的应用主要集中在强电和弱电两个方面。强电应用方面，超导体在零电阻状态下可以通过强电流，用于输电，并应用于核磁共振成像、可控核聚变、高速磁悬浮列车等领域。弱电应用方面，超导体可以利用其阻抗特性制作滤波器，最热门的应用则是量子计算，即在超导材料上刻蚀量子比特，构造超导芯片。弱电应用对超导材料的要求相对较低，且不受低温限制。
**Q：超导在材料学的探索当中，属于什么样的地位？**
**罗会仟：**超导研究在材料学探索中虽然占比不大，但具有重要意义。凝聚态物理研究除了超导实验室外，还包括磁学、表面物理、纳米等实验室，这些实验室的研究规模甚至比超导实验室更大。但超导研究有一个独特之处，即它能带动整个材料学的发展，发现其他有趣的物理现象，例如庞磁阻、量子磁体、拓扑电子态等。有10位直接从事超导研究的科学家获得了诺贝尔奖，而整个物理诺奖得主仅有200多人，凝聚态物理总共60-70人，这个比例非常突出，这也解释了为什么大家对超导和室温超导如此关注。
### 室温超导简史
**Q：超导、高温超导、非常规超导、室温超导，这些名词非常多，它们有什么关联，差异点又是什么？**
**罗会仟：**超导、高温超导、非常规超导、室温超导等名词在物理学中都有特定的含义。水银在4.2K就能实现超导效应，而随着BCS超导理论的建立，科学家可以预测材料的超导温度，40K成为理论预言的上限。80年代，科学家发现了40K以上的铜氧化物超导体，无法再用BCS理论解释其高温超导现象，因此业界将40K作为低温、高温超导的分界线。但这个分界线并不明确，某种材料或其“家族”的温度达到40K甚至77K（液氮温区），都可以归为高温超导范畴，因为它们内在的超导机制可能是相同的。高温、低温只是相对概念，没有绝对界限。室温超导中的“室温”在凝聚态物理学中有严格定义，一般指300K（27摄氏度），超过300K的超导体才能被称为室温超导体。非常规超导和常规超导的区别在于能否用BCS理论描述，常规超导即能用BCS理论描述的超导体，主要包括单质金属与合金，目前发现的所有常规超导材料，常压下其超导温度均低于40K。但高压可以进一步稳定原子晶格，即使是常规超导体，其超导温度也可以借助高压提升到40K以上，甚至接近室温。
**Q：科学家们梦想找到可实用化的室温超导材料，是否意味着常规超导、高温超导的应用存在短板，为什么非要追求室温超导？**
**罗会仟：**追求室温超导的核心目的是降低成本。低温超导材料如钛合金，超导温度只有9K左右，需要用液氦制冷，但氦是稀有气体，液化困难且成本高昂，大规模使用不现实。高温超导材料如铜氧化物，虽然超导温度较高，但材质脆，无法直接做电线，需要复杂的结构保护，成本主要来自克服材料本身的问题。室温超导体可以避免昂贵的制冷成本，且不需要复杂结构，可直接作为电线，这是追求室温超导的原因。
**Q：室温超导的实现路径有什么，差异和特点是什么？**
**罗会仟：**探索室温超导的路径比较明确，但能实用化的室温超导材料目前没有明确的理论指导。最常用的路径是借助高压。基于BCS理论可以算出，如果材料晶格稳定性好，配对能量高，电声子耦合达到一定量级，就可能实现室温超导。高压可以突破常压下的40K上限，最有可能实现室温超导的材料是金属氢，但需要极高的压力（约500万个大气压），且产出的材料量级微米或微克。尽管如此，高压探索仍具有重要意义，因为它可以带来新的思路，发现新型材料结构，并推动材料数据库的检索和验证。近年来，界面超导也备受关注，例如清华大学薛其坤院士团队做的单层铁硒薄膜，铁硒块体超导温度只有9K，但镀成单层薄膜后可达65K以上。此外，材料基因组技术大大提高了寻找超导材料的效率，基于理论和实验建立的海量真实材料数据库，甚至利用AI技术辅助寻找室温超导材料，使探索更具针对性。
**Q：寻找室温超导的过程中，有哪些实质性和阶段性的突破，目前最接近室温超导的材料是什么？**
**罗会仟：**近年来，实质性的突破并不太多，最大的突破是高压氢化物超导。2015年发现的硫化氢超导，压力只需一两百万大气压，随后发现的镧氢十（镧加十个氢）可以达到260 K的超导温度。目前最接近室温超导的材料是高压氢化物，但未必非要瞄准室温。我们可以瞄准室温这一远大目标，也有希望找到其他一些超导材料，温度未必很高，但关键在于用途，不一定非要强电，弱电应用也很有价值。铁基超导、铜基超导等领域取得了显著进展，中国人做出了重要贡献。此外，镍基超导体中也实现了液氮温区的突破，还有一些其他过渡金属化合物也是超导体，只是大部分超导温度偏低。但即便是温度低，只要有应用价值就可以，而没有应用价值但有理论价值的材料，也能启示我们如何寻找更多更好用的超导体。
### 引发轰动的LK-99
**Q：韩国团队发现的LK-99，缺陷是什么？**
**罗会仟：**韩国团队的论文数据比较糟糕，几乎没有一条可以直接支持超导的结论。通常测超导要求材料绝对零电阻，完全抗磁性，最好还要测到比热的跳变，证明其是一个相变，这些条件都符合了才能说它是一个超导现象，但这篇论文这三点都无法支持，数据质量不够有说服力。此外，预印本论文和正式论文不能等同，学术圈的同行评议非常重要，论文必须通过同行的质疑和拷问，确认所有证据成立才有可能发表，也只有这样论文在领域内才具备研究价值。
**Q：您的文章中也提到过不明超导体，这类不明超导体有哪些，特点是什么？**
**罗会仟：**不明超导体即Unidentified Superconducting Object。迄今为止，科研人员发现的部分不明超导体在超导探索上时不时就冒出一个新材料，让人“惊喜”，但这种“惊喜”总在无意之间且很难预料，这也是为什么这个领域保持活跃，科研人员愿意去从事这方面探索的原因。但有相当多的超导体都是“不明超导体”，即有研究团队声称发现了一个超导材料，但其他团队无法复现；另外还有一种是没有正式发布论文，或干脆就在自己的官网发布。实际上，不明超导体并不是一件坏事情，例如铜氧化物高温超导体最早被发现时，超导温度是35K，零电阻大概30K，尽管不高，但却破了铌三锗零电阻23K的纪录，当时的论文就是发在一个非常普通的期刊上，题目用的是非常泛的字眼“大概”、“可能”，非常谨慎，数据还没有抗磁性，并且是3个样本中，只有一个有零电阻。要知道，这可是获得诺贝尔奖的研究，甚至后来发现分子式也错了，因为真正超导的元素配比并不是设想的那样。在铜氧化物研究的早期，出现了一大批铜氧化物超导体，结构和元素配比千奇百怪，超导温度各式各样，甚至有不少声称是200K以上的超导体。随着研究不断深入，把材料做纯后发现超导现象都不存在，或者是测量出了差错。不过这些错误，并没有影响超导材料的探索，反而给了大家很多启示。如今铜氧化物超导家族已经非常丰富了。不明超导体的重灾区则是含碳材料，例如石墨，本身就具备抗磁性，石墨掺杂一些碱金属也是超导体。但如果其他材料纯度不高，掺了一点石墨进去的材料，测量方式不对的话，也可能会测到石墨本身的抗磁性，进而引发错误结论。
### 我们会见证历史吗？
**Q：有很多人说如果室温超导被发现，也是我们见证历史的时刻，那么它将会给我们的生活带来哪些改变呢？**
**罗会仟：**如果未来能够实现超导技术的大规模应用，它将会给我们的生活带来革命性的改变，我们家里的家具可以没有腿，出门可以大大提高交通运输效率，缩短旅行时间，因为汽车可以没有轮子，火车可以飞行，甚至还有续航优越的超导太空飞船。大家可以想象一下，我们生活里面能用到电和磁的地方，我们统统都可以替换成超导体。不过，这需要很长一段时间才能实现。到今天为止，超导在大规模的应用也还没有真正实现，这是因为绝大部分超导材料都不太好用，温度只是限制条件之一。实现大规模应用的前提必须是实用可靠。除了高临界温度、高临界磁场和高载流能力等指标外，超导材料还需要具备出色的柔韧性和耐久性，需要承受多次极端环境考验，如升降温、强磁场和大电流。如果一个超导体在正常使用时通电的电流是稳定的，但突然间无法继续工作，那意味着什么？答案是它已经出现了电阻，失去了超导的特性。即便存在微小的电阻，当如此大的电流通过时也会瞬间产生发热效应。特别是对于低温超导体来说，由于其处于液氦环境中，一旦发生发热，液氦就会迅速沸腾，引发“Quench（崩溃）”现象，甚至导致整个制冷系统失效，无法继续工作。这种情况非常危险，设备可能在瞬间无法使用。因此，超导材料需要具备出色的稳定性和耐久性，以确保在多次升降温、强磁场和大电流等条件下依然保持超导状态，从而实现可靠的应用。深圳的平安大厦就使用了高温超导电缆，这些电缆在较高的温度下（相对于常规低温超导材料）仍然能够表现出超导特性，从而实现零电阻的电流传输。需要提一句的是，对超导强电应用来说，温度越低的超导材料性能可以成倍甚至数量级地提升，所以如果需要更强的电流或更强的磁场，即便是室温超导体的应用，我们依旧需要很低的温度环境。在某些弱电应用中，只要材料具备超导特性，但可能并不需要追求室温超导，而是在更低温下使用。这种情况下，即使温度很低，将超导材料泡在液氮或固氮中也是可行的，哪怕是需要价格昂贵的更低温度的稀释制冷机，也是为了满足特定应用的需求。
**Q：室温超导材料如果实现的话，离这种规模化有多远？**
**罗会仟：**超导已经100多年了，现在应用范围最广的还是100多年前发现的铌钛合金和铌三锡等，即使高温超导发现也已经有30多年，目前仅仅做到规模产业化，可以说应用刚刚起步，所以具体的时间其实是没法估计，不能说今天发现了室温超导材料，明天就能应用。回到探索上来，探索室温超导，还是高温超导，抑或是非常规超导，这个过程也会带来很多意想不到的价值。从理论上来讲，哪怕是50年代的BCS这么老的理论，它的出现仍然推动的粒子物理的发展，我们非常熟悉的希格斯粒子的理论模型实际上就是借鉴了BCS理论中对称破缺的学术思想。现在研究高温超导一系列的问题里面，有很多的学术思想是非常重要的。这是因为高温超导面临的是一个多体物理问题——它的电子和电子之间相互作用很强，必须同时考虑一大群电子怎么运动。这种物理模型目前是没有的，所以研究人员在努力尝试着去建立这种所谓的量子多体理论，这个过程中提出了一些新的概念，比如“量子自旋液体”、“拓扑序”、“拓扑物态”，这些新的概念又促使着我们回头去将现有的材料重新分类，进而重新认识这种现象，进而出现一些新的应用、理论价值，我们知道2016年的物理诺贝尔奖就是这个方向。此外，在寻找超导材料的过程中，超导体可能没有找到，但却能意外发现这些材料的其它特性，比如铁基超导，目前已经有团队发现，在铁基超导的基础上，植入少量磁性原子，进而制备出温度很高的稀磁半导体。我经常比喻，探索室温超导的过程就像在电子的海洋里面钓鱼，你不知道钓上来是什么鱼，可能想钓上来超导体，结果上来的可能不是，但不管是什么鱼，也会有意外的价值。
