一文深解室温超导：LK-99复现争议与实际应用｜云启研选
2023年7 月 22 日，韩国研究团队在 ArXiv 发布论文，声称发现世界首个室温常压超导体 LK-99，该材料在常压下 127 摄氏度可达超导临界点，**意味着 LK-99 可作为超导材料在地球上所有环境中使用**。全球多个实验室快速跟进，对LK-99在室压、常温条件下的超导性进行验证。
2023年7 月 22 日，韩国研究团队在 ArXiv 发布论文，声称发现世界首个室温常压超导体 LK-99，该材料在常压下 127 摄氏度可达超导临界点，意味着 LK-99 可作为超导材料在地球上所有环境中使用。全球多个实验室快速跟进，对LK-99在室压、常温条件下的超导性进行验证。
· 「室温超导」意味着什么？
· 「LK-99」为什么会引起范围如此广、热度如此高的讨论？
· 不同实验室的「复现结果」为何各有不同？
· 高温超导、低温超导、室温超导「产业化进度」分别如何？
· 「超导材料」现在的发展情况如何？
· 如果室温超导实现，将会对「产业和生活」有什么新影响？
· 「国内」已经有哪些超导应用？
本期**「云启研选」**，我们将对以上问题进行事实梳理，从技术创新、产业发展的双重视角给出答案。
01
LK-99 室温超导 有哪些「突破」 有什么「疑点」
云启观点
· 「室温超导」大幅提升了现有超导材料研究领域的上限，新材料或将启发超导领域的新探索。
· 目前，韩国团队所披露的LK-99晶体制备流程尚不完善，对于引起LK-99产生超导相变的理由仍有争议。
预印本（Preprint），指尚未经过同行评议，没有在正规科学期刊上正式发表的论文初稿。Arxiv预印本网站只要有高校或科研机构的邮箱、或经同领域专家邀请即可注册、并自由上传文章 。每年，在Arxiv平台发布的有关**「新型超导材料」**的论文，通常都有数十篇之多。
为什么这一次韩国团队的论文激起范围如此广、热度如此高的讨论？
根据韩国团队论文，LK-99 在常压下的临界温度高达400K（约 127 摄氏度） ，远超目前所有已知材料体系，而且材料体系、制备过程都十分简单。
该论文所提出的新材料和观点，是对现有超导材料研究的全面突破。
制备超导材料关键词：
温度、压强、流程
1►
临界温度
因为直接决定超导体的实际应用与制备方法，临界温度一直是超导体研究的核心之一。临界温度，即超导体从正常态转变为超导态(0 电阻)时的温度。
1911年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯使用液氦将汞的温度降到4.15 K（-269℃）后，发现汞的电阻降为零，他把这种现象称为「超导性」。此后逾百年间，超导材料的临界温度一次次突破理论、不断提高。
汞在低温下的电阻
已发现的部分突破性超导材料：
1986年 陶瓷性金属氧化物被证实可以作为超导体，开启了铜基高温超导体时代
1987年钇钡铜氧系超导材料将超导临界温度提升至90K以上，突破液氮的温度壁垒
2008年铁基超导体被发现，临界温度为55K
2015年硫化氢被在极度高压（约150万标准大气压）203K时会发生超导相变
······
重要超导材料的发现时间及临界温度
图源：维基百科
根据临界温度高低，目前已被规模化应用的超导材料，可分为「低温超导材料」和「高温超导材料」，所有超导材料的工作温度均远低于室温环境：
临界温度低于液氦温区（约30K/-245°C），属于低温超导材料，主要应用于医疗核磁共振、粒子加速器、 对撞机等，以铌钛和铌锡为主。
临界温度低于液氮温区（约77K/-196°C），属于高温超导材料，主要应用于超导线缆、可控核聚变、感应加热等，以铋系和钇钡铜氧为主。
事实上，已被发现的超导材料早已有上万种，但绝大部分的临界材料都很低，而实现超导的另一条路线**「高压」**同样对工作环境有极大要求。
2019年，十氢化镧被证实在190 万个大气压下、临界温度可达260K（约-13摄氏度）时会发生超导相变，是目前已知临界温度最高的超导体。对比LK-99 在常压下的临界温度400K，仍低很多。
2►
"外压"转"内压"
施加压力可以提高材料的超导临界温度，这也是LK-99结构的巧妙之处。
根据韩国团队的论文观点，LK-99 用"内压"替代"外压"，通过铜原子对铅原子的替代，在晶格中造成了微小畸变，使电子在移动时实现了零电阻，从而使 LK-99 获得了超导性。
论文中，LK-99的超导性源于由Cu2+取代Pb2+(2)离子引起的微小的体积收缩（仅0.48%），这产生的内部应力作用在磷酸盐 ([PO4]3− ) 内的 Pb和O之间一维链上,限制了电子的扰动，从而产生超导量子阱 (SQW)。这个思路来自于他们的老师韩国崔东植教授1993年提出的"原子间超导带理论"，（ISB - Inter Atomic Superconducting Band），逻辑上可以自洽。
LK-99 晶体结构
根据美国劳伦斯伯克利国家实验室的模拟运算，LK-99具备现实世界中室温超导材料具备的性质。但条件相对严苛：在铜原子替代铅原子时，只有铜原子渗入晶格中较难到达的位置或「较高能量」结合部位时才会形成。
这意味着这种材料很难合成，因为只有一小部分晶体中的铜会恰好处于正确的位置。
3►
制备流程
根据预印本论文，韩国团队所发布的制备方式也十分简单：
第一步 合成黄铅矿 Pb2(SO4)O
将氧化铅和硫酸铅粉末按照 1:1 的比例放入坩埚中均匀混合，在空气中加热 至 725°C加热 24 小时，得到黄铅矿晶体。
第二步合成磷化亚铜晶体 Cu3P
把铜单质和磷粉末放入真空管，然后在坩埚里以 550°C的温度加热 48 小时， 得到磷化亚铜晶体。
第三步生成常温常压超导体 Pb(10-x)Cux(PO4)6O
将前两步烧制出来的两种晶体研磨成粉末后放入真空管，在坩埚里以 925°C加 热 5-20 个小时，得到一种铜掺杂的铅磷灰石即 LK-99 晶体，具备常压室温超导性能。
LK-99 制备流程示意图
网友将这一看上去过分简单的制备流程戏称为「绀锅炼丹」、「手搓超导」，但论文对于大量实操中的细节问题没有给出回答：前体材料要到纯度级别？要求粒径是多少？使用前，是否需要进行任何必要的预处理步骤？反应具体发生在什么环境是空气还是真空？LK-99对最后的925°C步骤的持续时间有多敏感？......
制备流程的不明确，可能会导致试样中掺杂杂质，并最终影响实验结果。
中国科学院物理研究所的实验结果就提出，LK-99的抗磁性来源于硫化亚铜——也就是生成LK-99所需的材料之一。
用简单的方法解决世界级难题的先例并非没有。但是，「简单」并不是这篇论文最大的疑点，仍有颇多专业方面的问题亟待被解答。
02 全球
复现 室温超导 有哪些「进展」 应如何「理解」
云启观点
· 截至目前，全球复现实验中，尚无单一实验可完全验证LK-99具有室温超导性；分别针对零电阻、抗磁性出现的实验结果也存在争议。
· 对于认为LK-99具有「超导结构」的超算模拟结果，学术界普遍持谨慎态度。LK-99是否具有超导性，将以实验室验证结果为主。
超导体具有两种彼此独立的基本介质：**绝对零电阻和完全抗磁性。**从实验物理的角度，这两种基本特性也被被用来判断材料是否实现超导相变。
目前，针对高温超导现象存在的原因，还没有普遍得到认可的理论，这也是造成对LK-99没有定论的原因之一。
超导体验证：
绝对零电阻、完全抗磁性
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绝对零电阻
零电阻的验证一般采用四探针测试技术。目前已知的检测结果中，东大物理学院孙跃教授发视频宣布其样品在常压 110 K（约-163摄氏度）时电阻降至 1E–5Ω 以下。
复现样品电阻
图源：B站 孙跃教授视频
云启观点
左图中红坐标是对数坐标轴，电阻下降的曲线比直观看到的要陡峭，一定程度上符合超导零电阻跃变的图形 ，但相对来说转变温区仍然较宽；
另外，通常情况下， 超导体在施加磁场后会有涡旋穿过样品，涡旋在施加电流后会对电流作用产生损耗，零电阻温度会随着磁场增加而减小，上右图中的零电阻温度却对磁场变化缺没有响应；
总之，本次实验的样品太小，120k时就已经降到了1E-4以下， 无法排出在0电阻测量假象的可能，依然有待更详细的实验数据。
截至目前，还没有更多关于LK-99零电阻的相关验证公布。韩国团队称，将在明年的美国物理学会年会上做相关报告。
2►
完全抗磁性
磁通线可以穿过普通抗磁性材料，但却不能穿过处于完全抗磁状态下的超导体，这种超导材料区别于普通材料的重要特性，也被称为**「迈斯纳效应」**。
超导体的磁化率是-1，达到了抗磁性的最大值。即使在特定温度和磁场下，磁通线可以部分穿透超导体，也会产生很强的磁通钉扎效应。因此，超导体会非常强烈地排斥外磁场，且能牢牢束缚住磁通线，而普通抗磁性材料只是轻微的排斥外磁场。
超导体不仅能在磁场中悬浮，而且能够与常规磁体保持固定相对位置，也就是「宏观量子锁定」现象。
迈纳斯效应
华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，合成了**「可以磁悬浮」**的LK-99晶体。
云启观点
在B站视频中可以看出，材料表现出了抗磁性，但样品仍需支点，没有实现完全无接触悬浮，和常见超导体的完全抗磁性不一样。
截至目前，还没有已公开的复现结果验证LK-99的完全抗磁性。
超算模拟
在全球的实验室复现刚刚开始的时候，美国劳伦斯伯克利国家实验室快速根据，用美国能源部的超算对 LK-99 材料模拟运算，并称它具备现实世界中室温超导材料具备的性质。
研究员利用美国能源部的算力对改性铅磷灰石进行了密度泛函理论计算， 发现其中存在一种能跨越费米能级的平坦带，这种结构在已知的许多高温超导体中也存在，因此，LK-99 可能存在理论上的室温超导性。
云启观点
通常，学术界对于「基于未验证结果」展开建模、计算获得的成果比较审慎。理论物理学的模拟计算往往需要人为加入一些假设，所以其实计算结果有相当大可调整的自由度，也因此这种操作被简称为"先射箭再画靶"。
就LK99而言，在本身实验数据相当有限的前提下，相关参数的选取是有很大的灵活度的。假设LK-99最终被实验室验证，相关计算可以对原理研究提供帮助，但其本身并不能作为验证LK99室温超导性能的直接证据。
超导材料
室温超导
有哪些「应用」
将如何「发展」
云启观点
- 以YBCO为代表的二代高温超导材料可突破低温超导磁场强度上限、并大幅降低制冷成本，具有更广泛的应用前景。
- 从实验室走向商业化应用，超导材料本身而言需提升性能定制化、确保稳定可靠、实现批量化生产。同时，超导产业需要更多人才和产业化经验，共同建立完整的上下游产业链，通过应用牵引实现技术和产业协同发展。
「室温超导」的可能性应用
根据超导材料的基本特性：零电阻特性、完全抗磁性、宏观量子效应，超导材料能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等多种应用，因此其被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、医疗器械等诸多领域。
室温超导意味着电力的传输、应用过程中的损耗将不复存在，而且由于超导线圈不会发热，能通大电流，产生强磁场，且没有能量损耗，将大大提升人类对电磁效应的应用水平。
容易制备、成本低廉应用性好的室温超导本质上可以重塑所有电和磁相关的行业。
能源及工业应用：室温超导可以从能源产生（可控核聚变）、能源储存（超导线圈储能或超导磁悬浮飞轮储能）、能源运输（超导输电）、能源利用（超导电机）方面重塑整个能源体系
信息产业：室温超导体应用于现有的计算单元可能以更低的能耗提供更高的计算能力。而且对量子计算机的发展也有望产生超乎想象的作用
交通运输：室温超导体在电动机和推进系统中的应用将使目前的电动汽车、轮船等载具的性能更强、续航更长、充电时间更短，甚至使得电动飞机商用化成为可能。另外常温超导材料有望使磁悬浮列车以更低的成本实现更高的速度，这些进步使得超高速磁悬浮列车应用于日常通勤成为可能。
超导材料的实际应用
低温超导材料优良的机械加工性能和成本优势，使其目前在商业化应用中占主导地位。但受限于液氦资源稀缺等因素，其应用主要在成本相对不敏感的医疗、大科学装置等领域。此外，低温超导磁体通常会在内部磁感应强度高于25T时停止工作，这也限制了低温超导磁体的磁场强度。
高温超导材料的工作温度更高，可以使用更便宜、更容易获得的冷却剂，因此具有更广泛的应用前景。现阶段，高温超导在感应加热、电力传输等领域已实现初步应用，在可控核聚变领域应用的可行性已得到证实，未来有望在更多领域代替低温超导材料。
其中，YBCO作为第二代高温超导材料，可突破低温超导磁场强度上限而且制冷成本大幅降低高温超导材料，具有更为广阔的应用空间。
图源：《超导材料及其应用现状与发展前景》 ，云启整理
2019年，MIT-CFS 采用高温超导材料制造了一个可以环绕托卡马克的环形磁场，达到了破纪录的20特斯拉的磁场强度，使净能量增益成为可能，引爆了核聚变领域的投资热潮。据核聚变工业协会 (FIA)统计，以CFS为代表的全球有超过30家公司正在致力于实现核聚变的商业化，已共计获得了超过50亿美元的融资。
磁约束是可控核聚变的必要条件之一。 采用高温超导的可控核聚变商业化项目的陆续展开，对上游高温超导磁体和带材供应诉求强烈，有望极大的带动行业扩产及工艺升级，进一步降低成本扩大应用范围。2022年，核聚变领域的投资额已经接近30亿美元。
我国超导材料发展情况
近十余年来，我国在产业政策方面持续对超导材料的发展方向做出支持，各类新材料行业相关政策推动着超导材料的不断发展和革新。
······
2015年 《中国制造 2025》将超导材料列为前沿颠覆性新材料中需重点发展的项目
2016年 《"十三五"国家战略性新兴产业发展规划》提出将积极参与国际热核聚变实验堆计划 (ITER)，不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施。
2021年 《"十四五"原材料工业发展规划》提出把握新材料技术发展趋势，推动超导材料体系化发展，强化应用领域的支持和引导。
······
我国在超导材料基础研究方面处于国际先进水平，创造了低温超导材料临界电流密度的世界纪录、率先发现了YBCO高温超导材料、新型铁基超导材料等，引领了国际超导材料发展方向；
随着高温超导材料开始进入商业化阶段，我国在部分高温超导应用层技术也已达国际先进水平。
例如，高温超导已在输电领域成功试点：2021年9月，深圳试点400米长超导电缆成功为标志性建筑平安大厦供电；
同年12月，国家电网建设成功中国首条35千伏公里级高温超导电缆示范工程，全长1.2公里，为上海徐家汇地区4万多户家庭和核心商业街供电。
此外，我国还率先完成国际热核聚变堆（ITER）计划用超导线材供货任务、高性能YBCO涂层导体实现产业化、高电压等级超导限流器实现挂网、癌症治疗用加速器实现应用等。
上海高温超导电缆示范工程
云启观点
超导材料的进一步主要方向与其具体应用场景直接相关。
在替代性应用方面（如电缆），超导材料需在大规模量产实现更高性价比，才能与现有技术进行竞争；
在不可替代的应用场景中（如核聚变等），随着应用推广和商业化，超导材料一方面需不断提升材料的性能、定制化能力和稳定性，以适应场景需求；另一方面也要在保证性能的基础上考虑材料的性价比。
从实验室走向商业化应用，超导材料本身而言需提升性能定制化、确保稳定可靠、实现批量化生产。同时，超导产业需要更多人才和产业化经验，共同建立完整的上下游产业链，通过应用牵引实现技术和产业协同发展。
虽然距离实现「室温超导」尚有距离，但**「高温超导」材料的不断创新已能逐步满足产业化需求**。云启持续关注新能源技术，并相信高性能、低成本的高温超导材料，将会为未来清洁、可持续的能源结构提供高性价比的解决方案。
本期报告专家访谈：
赵跃 上海交通大学副教授、全国超导标准化技术委员会委员、上海市高校特聘教授
盛杰 上海交通大学副教授
由云启执行董事郑瑞庭参与的本次专家对话已发布至云启科技播客「Attention」。
**「Attention」**已在小宇宙上线，我们将在这里与您分享更多有关科技进步、产业升级的新观点和好故事，欢迎收听～
