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连日来,多国研究团队密集发布常温常压超导研究成果,引发了巨大的舆论关注。最新的情况是,权威研究机构美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)在 arXiv 上提交了一篇论文,其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。此外,受消息刺激,上市公司美国超导盘前一度上涨超150%。
一、事件
1911年,昂尼斯等人发现超导现象,汞的电阻在温度降至4.2K左右(Tc=4.2K,等同于-268.98°C)时急剧下降,以至完全消失。
2020年,迪亚斯实现人类第一次观察到室温(15 ℃)超导体,但环境压力为2670亿帕,且产生超导现象的材料数量极其微量。
2023年7月22日,韩国量子能源研究中心公司相关研究团队在预印本网站上陆续公布两篇类似的论文,宣称一种命名为LK-99的铜掺杂铅磷灰石材料拥有“室温+常压”超导能力,系全世界首款室温常压超导材料。目前,国际上多个研究团队正在试图合成LK-99,验证其实验结果。
2023年7月30日美国泰吉量子公司称,新发现一种室温超导材料,系一种石墨烯泡沫材料,非常易碎。泰吉量子公司称,“这种独特的II型超导体(专利号:17249094)可在较宽的温度范围内工作。
2023年8月1日,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)在 arXiv 上提交了一篇论文,使用美国能源部的计算能力进行模拟,称已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础,费米能级的孤立平带是超导晶体的标志,其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。(论文链接:https://arxiv.org/abs/2307.16892)
此外,据称,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,成功首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体(上图黑色物体),该晶体悬浮的角度比 Sukbae Lee 等人获得的样品磁悬浮角度更大,有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。
二、概念
超导,全称超导电性,是二十世纪最重要的科学发现之一,指的是当某些材料在温度降低到某一临界温度(Tc)时电阻突然消失,电流可以在其间无损耗流动的现象,具备这种特性的材料则被称为超导材料或超导体。理论上超导体有三大基本特性:完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应。
目前发现的超导材料主要包括:各类金属及合金超导体、铜氧化物超导体、重费米子超导体、有机超导体、铁基超导体及其他氧化物超导体等。按照超导体的临界温度,可以将超导体分为低温超导和高温超导材料:
Tc<25K的超导材料称为低温超导材料,目前已实现商业化的包括NbTi(铌钛,Tc=9.5K)和Nb3Sn(铌三锡,Tc=18k)。下游应用主要包括加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等。
Tc≥25K的超导材料为高温超导材料,具备实用价值的主要包括铋系(例如Bi-Sr-Ca-Cu-O,BSCCO,Tc=110K)、钇系(例如Y-Ba-Cu-O,YBCO,Tc=92K)和MgB2超导材料(Tc=39K)、铁基超导材料等。生产成本较高,目前尚处于商业化初期阶段。目前高温超导的下游终端应用主要包括超导电缆、超导电机、超导变压器、超导滤波器等。
三、意义
如果能够实现常压室温超导,有人表示,「这将成为人类有史以来最伟大的科技发现之一,也将会拿遍诺贝尔奖。」还有更多人表示,常压室温超导如能实现,将开启第四次工业革命,使二十一世纪成为超导时代。因此,寻找具备更高临界温度的超导体是解决超导材料应用的关键,而研发出室温超导体成为了超导领域研发人员的不懈追求。
室温常压超导的应用前景非常广阔,可以涉及到能源、交通、通信、医疗、计算等多个领域。以下是一些具体的例子:
能源:室温常压超导材料可以用来制造高效的发电机、变压器、输电线等设备,从而大幅降低能源损耗和成本,提高能源利用率和可靠性。同时,室温常压超导材料也可以用来存储能量,例如制造超级电容器、超级电池等,从而解决可再生能源的间歇性和不稳定性问题。
交通:室温常压超导材料可以用来制造高速的磁悬浮列车、飞机、汽车等交通工具,从而提高运输效率和安全性,减少污染和噪音。同时,室温常压超导材料也可以用来制造强大的磁场,例如制造磁力发射器、磁力屏障等,从而实现更先进的空间探索和防御技术。
通信:室温常压超导材料可以用来制造高灵敏度的传感器、天线、滤波器等设备,从而提高通信质量和速度,扩大通信范围和容量。同时,室温常压超导材料也可以用来制造高速的光纤、光子晶体等设备,从而实现更高效的光通信和光计算技术。
医疗:室温常压超导材料可以用来制造高精度的医疗仪器、设备和器械,例如制造核磁共振成像仪、超声波仪、心脏起搏器等,从而提高医疗诊断和治疗的效果和安全性。同时,室温常压超导材料也可以用来制造高效的药物输送系统、人工器官等设备,从而实现更先进的生物医学和生物工程技术。
计算:室温常压超导材料可以用来制造高性能的计算机芯片、内存、逻辑门等设备,从而提高计算速度和存储容量,降低功耗和散热问题。同时,室温常压超导材料也可以用来制造量子比特、量子线路等设备,从而实现更强大的量子计算和量子信息技术。
四、产业链
目前全球超导市场以低温超导为主,国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上,高温超导材料仍处于商业化初期。经过数十年的潜心发展,我国已成为国际超导材料和应用技术研发的中坚力量,目前已基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术。
低温超导领域,以铌基超导材料(NbTi和Nb3Sn)为主的低温超导材料具有优良的机械加工性能和超导电性,是目前最主要的实用化超导材料。低温超导产业链主要包括上游原材料、中游超导线材、超导磁体及下游超导设备四个环节:
1)在原材料环节,低温超导线材对原材料(钛Ti、铌Nb、锡Sn)有很高的要求,且工艺过程复杂,技术条件严格,由于低温超导线材行业对原材料的消耗量并不大,因此上游原材料对超导线材行业的影响并不明显,超导线材行业的发展主要取决于技术进步;
2)在超导线材(NbTi、Nb3Sn超导线)生产环节中,NbTi超导线的上游还包括NbTi棒材环节,由于Nb和Ti的熔点相差较大,且NbTi合金中Nb的含量较多,如果控制不好熔炼技术,易产生不熔块,导致后续细芯丝NbTi线在加工中断裂,因此NbTi二元合金棒的制备非常困难,为重点技术加工环节;
3)超导磁体是由超导线材绕制而成的能产生强磁场的超导线圈,并包括其运行所必要的低温恒温容器。基于超导材料的特性,超导磁体具有场强高、体积小、重量轻等特性。由于超导材料在超导状态下具有零电阻的特性,因此可以以极小的面积通过巨大的电流。
高温超导材料商业化处于初期阶段,全面发展仍需时日。我国在超导材料的研究方面已具备较好的研究基础,但高温超导材料的开发和批量化制备技术尚显薄弱,产业化进程落后于部分发达国家。目前具备实用价值的高温超导材料主要包括铋系(BSCCO)、钇系(YBCO)、二硼化镁(MgB2)超导材料及铁基超导材料等。高温超导行业产业链主要包括上游原材料、中游超导材料(包括线材、带材等)、下游应用产品三个环节:
1)上游原材料行业主要包括各类矿产资源,具体涉及的金属元素诸如铋(Bi)、锶(Sr)、钇(Y)、钡(Ba)、硼(B)等以及镧(La)等稀土元素;
2)中游为超导材料加工环节,主要产品包括BSCCO和YBCO等带材、MgB2线材以及铁基超导体等,是高温超导行业的核心;
3)下游包括各类超导应用产品,如超导电缆、超导电机、超导限流器、超导变压器、超导滤波器、超导储能等,是超导行业的载体。
五、展望
目前信息综合来看,多个团队宣布的研究成果还在后续论证与复现,商业化的道路也还很遥远。但有别于过往的巨大进步在于,AI时代,借助超算和大模型,权威机构已经论证了理论可能,人类已经向前迈出了历史性的关键一步。
如果有一种材料可以实现常温常压下的超导,并且获取相对容易,它的出现或许会是新一轮工业革命的开始。它的应用包括但不限于:磁场的大规模应用、无接触式物质操控(如核聚变的控制)、无能耗电流传输、超长距离通信、新能源形式等等,基本上所有依靠电力运行的东西都会受到影响。
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