文章專區

今（2023）年7月下旬，科技、材料領域最熱門的話題莫過於「室溫超導體」（superconductor）了。韓國首爾量子能源研究中心在arXiv平臺發布了兩篇預印發表論文，宣稱「LK-99」此款材料在高於127°C的常壓環境中具有超導體的特性。此一發表挑戰了超導體必須要在極端溫度與壓力下才存在的認知，如果成真將有龐大的應用潛力，瞬間掀起了全世界的討論熱潮。不過，經過一個月全世界相關研究單位、甚至業餘愛好者的實驗，已經可以得出令人失望的定論：LK-99並不是室溫超導體。
 
超導體意指在特定的條件下電阻為零的導體，在此情況下即便不提供任何電壓也能持續有電流流動，可維繫「永久電流」。而超導體的另一個重要特性，則是「完全反磁現象」，因此如果將超導體放在磁鐵上方，就會出現排斥磁力的懸浮現象。如果超導體的夢幻特質能夠應用在生活中，製成零損耗的電力網、超省力的磁浮技術等，將造成科技全面性的改變。然而自從1911年發現超導體的存在後，目前已知具有超導特性的材料多數都需要在低於零下200度的臨界溫度才會出現超導特性。由於在一般的環境中維持超低溫需要消耗大量能量，因此超導體很難應用於日常生活中，而研發出能在較高的溫度、甚至是室溫出現超導特性的材料，就成為許多材料實驗室爭相挑戰的聖杯。
 

LK-99是什麼？為何被誤會具超導特性？

LK-99是一種結合銅、鉛、磷和氧的化合物。根據預印發表的內容，韓國團隊在實驗中發現LK-99在104.8°C時電阻率會出現急遽的下降，從原本的每公分0.02歐姆（Ω）下降到僅有0.002歐姆。而團隊所發表的影片也展示了一小片硬幣大小的LK-99漂浮在磁鐵上的畫面。這兩點大致上符合過去對於超導體的認知。在7月消息傳出後，由於缺乏相關的物理理論機制支持，而且預印發表所呈現的資料也相當粗糙，相較於社群媒體與大眾媒體大舉興奮即將出現材料革命，大多數的科學研究人員對此一研究持保留的態度，同時發起了一陣重現LK-99材料測試的風潮。
 
在一開始進行測試的8月初，曾有研究團隊得出類似於韓國團隊預印發表的結果。8月2日，中國華科團隊宣布重現了LK-99的磁浮現象；8月3日，東南大學也成功測量到零電阻現象；甚至有科學家試圖使用密度泛函理論（density functional theory， DFT）預測LK-99可能的結構，當時得出結論有機會支持此材料存在超導性的可能。這些資訊都掀起大眾與學術界一陣興奮，但很遺憾的是，之後經歷全球各大機構多次實驗、反覆驗證，目前一致的結論是LK-99並不具有超導體特性。
 
首先，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究結合理論與實驗證據，證明LK-99在結構上不可能成為超導體。其次，德國馬克斯-普朗克固體研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）於8月11日同樣公布於arXiv平臺的預印發表指出，團隊以移動式溶劑浮動區法（traveling solvent floating zone method, TSFZ）合成出純粹的LK-99結晶，經過量測發現LK-99的純結晶高度絕緣，在常溫下電阻可達百萬歐姆，具有輕微的鐵磁性與逆磁性（diamagnetism），但不足以進行懸浮。
 

雜質帶來電阻下降的假象

如果不是超導體，那麼韓國研究團隊發表LK-99所展現的特性是從何而來？由於韓國團隊提供的製程並沒有明確的數值細節，因此各團隊根據預印發表合成的LK-99樣本可能仍與原始測試樣本有一定的出入。不過，目前相關研究團隊多數同意LK-99在預印發表中展現的特性可能與樣本中含有的雜質有關。
 
首先是電阻下降的特性，由於韓國團隊製程中採用的銅與硫比例並不平衡，樣本中可預估會含有一定比例的硫化亞銅（Cu2S）雜質。而硫化亞銅有一個很重要的特性，就是會在104°C時發生相變、電阻率急遽下降，如此可解釋韓國團隊在104.8°C量測到電阻急遽下降、類似超導相變的特性很可能是受到了硫化亞銅雜質的混淆。而中國科學院物理所針對含有不同比例的硫化亞銅的LK-99樣本進行量測，顯示含有高達70％硫化亞銅的LK-99樣本，電阻率會在溫度達112°C附近時急遽下降，也與此一理論相吻合。
 
至於LK-99懸浮的影片也存在許多討論的空間。首先，在影片〔註〕中的LK-99懸浮時仍有一角黏附在磁鐵上，與超導體典型懸浮時可自由旋轉、甚至上下翻轉有所不同。其次，磁懸浮並非超導體獨有的現象，逆磁性或鐵磁性的材料，在外加磁場夠強的情況下，也有可能展現類似的狀況。北京大學研究團隊在8月7日發表的結果也認為，他們所製作的LK-99出現懸浮現象是由於樣本具有一定的鐵磁性，而且因為浮力不足，所以僅有一部分懸浮平衡。
 

〔註〕可參見論文協作者之一金賢德（Hyun-Tak Kim）在推特（X）發布的影片。https://twitter.com/floates0x/status/1687190672280096768/

 
科學的發展通常少見單一的實驗就達到突破性的進展，而出乎意外、完全缺乏理論支持的實驗結果，通常存在著簡單、直接的解釋空間。本次LK-99引起的轟動，同時也展現了科學進展中「可重複性」的重要，也是非常難得一個備受矚目的科學議題，快速在不到三個月的時間內就經歷重複實驗、破解的案例。

新聞來源

Garisto, B. (2023 August 16). LK-99 isn't a superconductor — how science sleuths solved the mystery. Nature. https://www.nature.com/articles/d41586-023-02585-7