7月22日,韓國量子能源研究中心研究團(tuán)隊在arXiv上連發(fā)兩篇論文,宣稱合成了全球首個室溫常壓超導(dǎo)體LK-99,臨界溫度為127℃。這一輪的“室溫超導(dǎo)”熱已經(jīng)持續(xù)了一周多,引起了全球各個社會層面的熱烈討論。
室溫超導(dǎo)來了?
自1911 年荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)發(fā)現(xiàn)汞的電阻會突然消失以來,超導(dǎo)現(xiàn)象一直是科研熱點之一。
超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象,其主要的特征是零電阻(或極小電阻值)和完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))。超導(dǎo)現(xiàn)象主要發(fā)生在低溫(-269℃~-70℃)條件下。
所謂室溫超導(dǎo),指的是在地球室溫環(huán)境下(通常默認(rèn)是300 K,即27℃)就能夠?qū)崿F(xiàn)零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)材料。這意味著,室溫超導(dǎo)材料對應(yīng)的超導(dǎo)臨界溫度必須在300 K以上。2020年10月《自然》雜志報道了美國羅切斯特大學(xué)實現(xiàn)了15℃溫度下的超導(dǎo),但是這種超導(dǎo)體需要在267GPa的條件下工作。因此,真正具有應(yīng)用價值的“室溫超導(dǎo)”是指“常壓室溫超導(dǎo)”。
針對韓國團(tuán)隊此次提出的室溫超導(dǎo)體LK-99,全球熱議的同時也引發(fā)了一些實驗室進(jìn)行重復(fù)實驗。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室宣布,在超級計算機(jī)的模擬結(jié)果下,理論上證明制作LK-99“常溫超導(dǎo)”晶體是可行的;俄羅斯科學(xué)家宣布成功制作出了LK-99晶體,并將其抗磁性特征予以公開發(fā)布;國內(nèi)華中科技大學(xué)材料學(xué)院常海欣團(tuán)隊宣稱復(fù)現(xiàn)了韓國團(tuán)隊的磁懸浮實驗,山東曲阜師范大學(xué)實驗結(jié)果顯示,LK-99具有抗磁性,但未發(fā)現(xiàn)零電阻特性……目前消息眾多,支持和質(zhì)疑的聲音都存在。
“韓國科學(xué)家團(tuán)隊在arXiv上提出的室溫常壓超導(dǎo)材料LK-99(改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)),在世界范圍內(nèi)已有多個團(tuán)隊復(fù)現(xiàn)了該材料的抗磁等特性,但是尚未完全驗證其為室溫超導(dǎo)材料。”華南理工大學(xué)副研究員陳海東在接受《通信產(chǎn)業(yè)報》全媒體記者采訪時表示,一方面,零電阻特性尚未測定出來;另一方面,超導(dǎo)的抗磁性只是輔助特性,部分材料也具備抗磁特性。因此,通過抗磁特性確定超導(dǎo)并不科學(xué)。
國網(wǎng)甘肅省電力公司電力調(diào)度中心通信處處長宋曦坦言,綜合目前消息,韓國研究團(tuán)隊公布的超導(dǎo)體極大概率不是室溫超導(dǎo)。但還是應(yīng)采取謹(jǐn)慎、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,應(yīng)該進(jìn)行多個團(tuán)隊、多次重復(fù)的反復(fù)驗證后,才可以得出一個肯定的結(jié)論。
據(jù)了解,韓國超導(dǎo)學(xué)會也成立了“LK-99驗證委員會”,檢驗該成果的真實性。截至目前,學(xué)會根據(jù)兩篇論文中提供的數(shù)據(jù)和已發(fā)布的視頻,宣布LK-99不能被稱為室溫超導(dǎo)體。
對通信有什么影響?
陳海東認(rèn)為,在通信領(lǐng)域,室溫超導(dǎo)技術(shù)會帶來顛覆性的技術(shù)革命,其主要表現(xiàn)為超導(dǎo)帶來的無損耗或者低損耗特性,大大提升通信的信號質(zhì)量和覆蓋能力,從而降低運維成本,提升經(jīng)濟(jì)效益。
舉例來說,通信系統(tǒng)為了實現(xiàn)抗干擾特性,一般在天線和放大器之間加入濾波器等器件,這種器件在3G和4G時代為了達(dá)到低損耗的特點,可以接受其大體積的問題。然而,5G時代,隨著工作頻率的進(jìn)一步提升,對濾波器的尺寸提出了較高的要求,由此出現(xiàn)了因為損耗大而導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲大等突出問題,具有超導(dǎo)特性的器件,由于沒有或者具有極低的損耗,有望對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)架產(chǎn)生直接影響,使其具有極大的靈活性。
其次,通信系統(tǒng)中由于導(dǎo)體以及介質(zhì)損耗導(dǎo)致通信覆蓋能力有限,特別是5G毫米波系統(tǒng),同時進(jìn)一步受到空間損耗的影響,傳輸距離大大降低,由超導(dǎo)材料構(gòu)成的超導(dǎo)器件、超導(dǎo)傳輸線、超導(dǎo)天線等,可以大大降低系統(tǒng)的損耗,從而大大提升通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和通信質(zhì)量。
最后,由于超導(dǎo)技術(shù)帶來的系統(tǒng)框架的革命和系統(tǒng)損耗的降低,直接帶來了經(jīng)濟(jì)效益的提升,5G相控陣系統(tǒng)的能耗問題也將不復(fù)存在。
在宋曦看來,室溫超導(dǎo)技術(shù)將為通信領(lǐng)域帶來重大變革,使得無線通信、光通信、基站等方面的性能得到顯著提升。
在室溫超導(dǎo)材料中傳輸?shù)碾娏鲙缀醪皇茈娮璧挠绊?,這意味著信號傳輸損耗將大大降低。這將使得無線通信系統(tǒng)的帶寬更大、信號更穩(wěn)定、能效更高,有助于實現(xiàn)更高速、更低延遲的無線通信,如6G、7G等。室溫超導(dǎo)技術(shù)將為無線通信帶來革命性的進(jìn)步。
在光通信系統(tǒng)中,超導(dǎo)材料可以作為光源或光調(diào)制器,從而提高系統(tǒng)的性能。例如,利用超導(dǎo)激光器,可以實現(xiàn)更高的光功率輸出和更低的功耗。這將有助于提高光通信系統(tǒng)的傳輸速率和信號質(zhì)量。
室溫超導(dǎo)技術(shù)對基站的設(shè)計和建設(shè)也會產(chǎn)生重大影響。例如,使用超導(dǎo)材料的天線可以實現(xiàn)更高的信號增益,從而減小基站的覆蓋范圍。此外,利用超導(dǎo)材料制作的光纖傳輸線和射頻傳輸線,可以實現(xiàn)更低的損耗和更高的傳輸效率。
室溫超導(dǎo)技術(shù)將對5G和未來的6G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生積極影響。通過提高信號傳輸?shù)男屎蜏p少損耗,室溫超導(dǎo)技術(shù)可以支持更高速、更低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接,從而滿足不斷增長的通信需求。
室溫超導(dǎo)技術(shù)將對通信領(lǐng)域的各種器件產(chǎn)生影響,如射頻放大器、濾波器、開關(guān)等。利用超導(dǎo)材料制作的器件可以實現(xiàn)更高的性能和更低的能耗,從而提高整個通信系統(tǒng)的性能。
陳海東表示,然而,室溫超導(dǎo)的研究還在進(jìn)一步進(jìn)行中,現(xiàn)有的研究成果也有待進(jìn)一步的驗證確認(rèn)。此外,現(xiàn)有基于金屬氧化物結(jié)構(gòu)的常壓室溫材料的實用性還有待于確認(rèn),其主要原因是燒結(jié)的金屬氧化物就是一種陶瓷,難以對其進(jìn)行折彎加工和沖壓加工。
室溫超導(dǎo)探索,仍是漫漫長路
室溫超導(dǎo)如果能夠?qū)崿F(xiàn),除了在通信領(lǐng)域,在電子電器集成、醫(yī)療核磁成像、超級計算(包括量子計算)、高速磁懸浮交通、新能源及儲存、天文探測、地質(zhì)勘探、國防建設(shè)等領(lǐng)域,都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
在能源傳輸與儲存領(lǐng)域,超導(dǎo)技術(shù)可以提高電力輸送的效率,并減少能量損耗。超導(dǎo)電纜可以實現(xiàn)低損耗的電力傳輸,降低電網(wǎng)能源損失,提高能源利用率。此外,超導(dǎo)磁能儲存技術(shù)可以提供高效、可靠的能源儲存解決方案,幫助平衡能源供需,減少對化石燃料的依賴。
在磁懸浮交通領(lǐng)域,超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)(Maglev)可以實現(xiàn)高速、低能耗的列車運輸系統(tǒng)。通過超導(dǎo)材料產(chǎn)生強(qiáng)磁場,使列車懸浮并減少摩擦,從而實現(xiàn)高速運行。超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)具有快速、安全、環(huán)保等優(yōu)勢,被認(rèn)為是未來城市間交通重要的解決方案。
在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域,超導(dǎo)材料可用于制造高性能醫(yī)學(xué)成像設(shè)備,如磁共振成像(MRI)。超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生穩(wěn)定且強(qiáng)大的磁場,提供更準(zhǔn)確、高分辨率的醫(yī)學(xué)影像,幫助醫(yī)生進(jìn)行更精確的診斷和治療。
在科學(xué)研究領(lǐng)域,超導(dǎo)技術(shù)對于科學(xué)研究領(lǐng)域有重要影響。在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域,超導(dǎo)材料的研究可以揭示新的量子現(xiàn)象和物性,推動基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。超導(dǎo)材料在研究高溫超導(dǎo)、拓?fù)淠軒У确矫婢哂兄匾饔谩?/span>
在電子設(shè)備領(lǐng)域,超導(dǎo)材料可用于制造高速、低功耗的電子器件。超導(dǎo)量子比特是制造超導(dǎo)量子計算機(jī)的基礎(chǔ),具有極高的計算速度和存儲密度。此外,超導(dǎo)器件還可以應(yīng)用于高頻通信、射頻檢測等領(lǐng)域,提供更高性能的電子設(shè)備。
在航空航天領(lǐng)域,超導(dǎo)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域也有應(yīng)用前景。超導(dǎo)材料可以用于制造高功率電動發(fā)動機(jī),提高飛機(jī)的性能和燃油效率。超導(dǎo)磁體還可以用于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng),提供精確的姿態(tài)控制和導(dǎo)航能力。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,尋找室溫超導(dǎo)之路,有三條可以嘗試走:第一,合成新的材料;第二,改進(jìn)現(xiàn)有材料;第三,特殊條件調(diào)控材料。其中第二條是顯而易見的,比如改進(jìn)現(xiàn)有的銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)量,對其進(jìn)行化學(xué)摻雜等改造,以期獲得更高臨界溫度的超導(dǎo)體。特殊條件調(diào)控,指的是利用高溫、高壓、磁場、光場、電場等方式調(diào)控材料的狀態(tài),在更高溫度下形成超導(dǎo)態(tài)。合成新的材料是最困難的,因為沒有可靠的經(jīng)驗?zāi)軌蚋嬖V我們室溫超導(dǎo)在哪里,只能“兩眼一抹黑”去探索。
宋曦指出,盡管超導(dǎo)技術(shù)在許多領(lǐng)域都具有巨大的潛力,但仍然面臨一些挑戰(zhàn),如材料的成本、制備工藝等。隨著科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步,相信超導(dǎo)技術(shù)將在未來逐步成熟化、商用化,并發(fā)揮日益重要的作用,為人類帶來更高效、可持續(xù)的能源和先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。