近日，大家或許都被韓國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)常溫常壓超導(dǎo)體新材料LK-99的新聞刷屏，隨著消息的發(fā)酵，全球大學(xué)都在追求復(fù)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但目前仍“真假難定”。

據(jù)8月3日最新消息，由韓國超導(dǎo)體專家組成的韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)，表示某研究所制造的LK-99材料不足以證明其為常溫常壓超導(dǎo)體，因?yàn)闆]有表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)。

并且，韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)成立驗(yàn)證委員會(huì)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證委員會(huì)解釋說，為了驗(yàn)證超導(dǎo)體的兩個(gè)特性：電阻為零的現(xiàn)象和完全半磁性特征，將測量樣品的磁化率和電阻。

驗(yàn)證委員會(huì)特別提到，對(duì)磁化率的測試，將使用一種超靈敏的磁傳感器進(jìn)行檢測，可以精密測量。言下之意，只有通過該傳感器對(duì)樣品進(jìn)行磁化率等檢測后，才能最終下定結(jié)論。

令人意外的是，該韓國團(tuán)隊(duì)拒絕向驗(yàn)證委員會(huì)提交樣品，并表示要看請(qǐng)等到明年美國物理學(xué)會(huì)屆時(shí)進(jìn)行展示。

怎么檢測是否是常溫常壓超導(dǎo)體？韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)是指用什么傳感器檢測磁化率？常溫常壓超導(dǎo)體對(duì)人類有什么意義？請(qǐng)看下文。

韓國專家想用SQUID超導(dǎo)磁傳感器檢測全球“第一個(gè)”超導(dǎo)體樣品！什么是SQUID？

為了驗(yàn)證超導(dǎo)體的兩個(gè)特性：電阻為零的現(xiàn)象和完全半磁性特征，將測量樣品的磁化率和電阻。

韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)驗(yàn)證委員會(huì)表示：“磁化率是使用SQUID的超導(dǎo)傳感器的磁化率測量系統(tǒng)，可以精密測量，只要提供樣品，不會(huì)花費(fèi)很長時(shí)間”，“但是為了驗(yàn)證，需要多次的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和交叉驗(yàn)證，正在協(xié)商在何種范圍內(nèi)測量哪些變量。”

這里，韓國驗(yàn)證委員會(huì)想對(duì)該超導(dǎo)體樣品進(jìn)行磁化率檢測使用的是一個(gè)名為SQUID的磁傳感器。什么是SQUID？

SQUID中文名稱為超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID），這是一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，是一種能測量微弱磁信號(hào)的極其靈敏的儀器，不僅可以用來測量磁通量的變化，還可以測量能轉(zhuǎn)換為磁通的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場梯度、磁化率等。

SQUID 作為探測器，可以測量出 10-11 高斯的微弱磁場，僅相當(dāng)于地磁場的一百億分之一，比常規(guī)的磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是進(jìn)行超導(dǎo)、納米、磁性和半導(dǎo)體等材料磁學(xué)性質(zhì)研究的基本儀器設(shè)備，特別是對(duì)薄膜和納米等微量樣品是必需的。利用 SQUID 探測器偵測直流磁化率信號(hào)，靈敏度可達(dá) 10-8 emu；溫度變化范圍 1.9 K~400 K；磁場強(qiáng)度變化范圍 0~70,000 高斯（7 特斯拉）。

SQUID磁傳感器的基本原理是建立在磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)的基礎(chǔ)上的，被一薄勢壘層分開的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森隧道結(jié)，當(dāng)含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)大小的電流偏置后，會(huì)呈現(xiàn)一種宏觀量子干涉現(xiàn)象，即隧道結(jié)兩端的電壓是該閉合環(huán)路環(huán)孔中的外磁通量變化的周期性函數(shù)，其周期為單個(gè)磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb，這樣的環(huán)路就叫做超導(dǎo)量子干涉儀.

▲SQUID磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

SQUID磁傳感器需要使用到超導(dǎo)材料，根據(jù)其所使用的超導(dǎo)材料，可分為低溫超導(dǎo)（LTc SQUID）和高溫超導(dǎo)（HTc SQUID）——顯然目前不會(huì)有室溫超導(dǎo)SQUID儀。又根據(jù)其偏置電流的不同，分為直流和射頻兩類，即DC-SQUID和RF-SQUID兩種。

DC-SQUID在直流偏置電流下工作，含有兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)。RF-SQUID即射頻超導(dǎo)量子干涉儀，它的探測器件含有一個(gè)約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)和一個(gè)與之相耦合的射頻諧振器。

下圖為DC-SQUID和RF-SQUID的結(jié)構(gòu)示意圖，可直觀看到兩種SQUID磁傳感器的區(qū)別。

▲DC SQUID和RF SQUID的示意圖

作為靈敏度極高的磁傳感器，SQUID超導(dǎo)量子干涉儀可用于生物磁測量、大地測量、無損探傷等領(lǐng)域各種弱磁場的精確測量，如超導(dǎo)體在Tc附近磁化率的漲落、在較寬溫度范圍內(nèi)生物化學(xué)樣品的磁化率、巖石磁力、極低溫度下的核磁化率等。

▲幾種多晶樣品在1T直流場的變溫磁化率（來源：測試狗）

超導(dǎo)體材料為什么要測磁化率？超導(dǎo)跟磁化率有什么關(guān)系？這要從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的歷史說起

那么，為什么韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)驗(yàn)證超導(dǎo)體材料就要測磁化率？超導(dǎo)體跟磁化率有什么關(guān)系？這可能需要從超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)的歷史說起。

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡莫林-昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）意外地發(fā)現(xiàn)，汞在-268.98°C時(shí)電阻消失的現(xiàn)象；后來又有許多金屬和合金被發(fā)現(xiàn)都具有與汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡莫林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。

卡莫林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。

▲卡莫林-昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）和超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)（來源：A Hundred Years of Superconductivity）

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感興強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”（Meissner effect）。

后來人們還做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸空不動(dòng)。邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來判別物質(zhì)是否具有超性。需要補(bǔ)充的是，直到目前為止，也未發(fā)現(xiàn)除了超導(dǎo)體外的其他原因能產(chǎn)生這一現(xiàn)象。

電阻是由磁場導(dǎo)致的。電流會(huì)產(chǎn)生磁場，從而形成阻力。阻力的變化則會(huì)改變電流，又會(huì)反過來改變導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。

也即是說，就目前的科學(xué)研究結(jié)果來說，零電阻的物體里面就不存在磁場，對(duì)施加的任何磁場表現(xiàn)出完全的抗磁性——即邁斯納效應(yīng)。

所以，韓國超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)才提出用SQUID——目前地球上最靈敏的磁傳感器，來監(jiān)測樣品的磁化率。如果該樣品里面不存在磁場，那么基本可以確認(rèn)是超導(dǎo)體。

目前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體材料，均是在“極端溫度”和“極端壓力”等條件下才能實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)實(shí)際應(yīng)用意義有限。

從1911年至今100多年，人們一直致力于尋找常溫常壓超導(dǎo)體。

▲來源：新智元

人類為什么致力于尋找常溫常壓超導(dǎo)體？

如果說人類文明起源于對(duì)火的使用，那么對(duì)電的發(fā)明和使用就像人類再次發(fā)現(xiàn)了“火”。

自從人類發(fā)現(xiàn)并掌握電以來，電的用途無處不在，交通、取暖、照明、電訊、計(jì)算等等，幾乎所有機(jī)器都離不開電，就像人離不開水一樣。

現(xiàn)代社會(huì)，電和水對(duì)人類來說幾乎同等重要。水和電也是現(xiàn)代城市最離不開的兩樣?xùn)|西，因此馬化騰曾說騰訊要做互聯(lián)網(wǎng)的水和電——事實(shí)上這就是微信在當(dāng)前中國互聯(lián)網(wǎng)的地位。

而電最大的障礙就是電阻——在電的傳輸過程中無處不在，電阻不僅消耗電而且會(huì)產(chǎn)生熱。

譬如半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，目前芯片制造過程中需要消耗大量的電能，公開數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2025年臺(tái)積電用電量將占中國臺(tái)灣整體的12％。其中至少有一半的能源由于電阻，消耗在了傳送的路上。

因此，常溫常壓超導(dǎo)體的出現(xiàn)，首先在電的傳輸線路——超導(dǎo)電線，在沒有任何電阻的情況下，意味著超導(dǎo)體能以無損的方式傳輸電能，從而實(shí)現(xiàn)能源效率的最大化。

此外，對(duì)計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生翻天覆地的變化，芯片的設(shè)計(jì)將不用再考慮發(fā)熱的問題，這樣高速計(jì)算、高速傳輸、小型化等設(shè)計(jì)將更為容易，不再需要散熱系統(tǒng)、光纖被取代、先進(jìn)制程門坎降低等等。

有資料推測，使用超導(dǎo)體即使是小如iPhone的手機(jī)，都能擁有與量子計(jì)算機(jī)匹敵的運(yùn)算能力。

我們現(xiàn)在的高鐵可能就被磁懸浮列車所取代，因?yàn)槌爻撼瑢?dǎo)體材料從內(nèi)部排出磁場，這使得它們成為強(qiáng)大的電磁鐵。

我國中車四方研制的高速磁浮交通系統(tǒng)達(dá)到時(shí)速600公里，磁懸浮以時(shí)速600公里從北京開到上海貫穿1000多公里只需要2.5個(gè)小時(shí)，同樣的距離乘坐飛機(jī)需要3小時(shí)，高鐵5.5小時(shí)。所以在1500公里的范圍內(nèi)行駛，該磁懸浮是最快的交通工具。

對(duì)傳感器、儀器等等所有行業(yè)均具有顛覆性，我們上文中提到的SQUID磁傳感器，目前只能使用高溫超導(dǎo)或低溫超導(dǎo)材料，因此使用條件苛刻，如果有室溫超導(dǎo)材料的SQUID磁傳感器，就能直接降低該儀器的使用限制。

結(jié)語：人類文明處于爆發(fā)前夕？

近年以來，科技領(lǐng)域接連來了許多重大突破，從未如此密集：Ch-a-t-g-pt、AI-GC、數(shù)字虛擬人、CPO光模塊、算力、液冷服務(wù)器、4D毫米波雷達(dá)、鎵和鍺的應(yīng)用、固態(tài)電池、減速機(jī)、機(jī)器人、無人駕駛、智能座艙、存儲(chǔ)器、Ch-i-p-l-et、低軌衛(wèi)星、太空光伏……

現(xiàn)在，常溫常壓超導(dǎo)體似乎到了“未來已來”的時(shí)刻，與以往很快被證偽的論文不同的是，本次隨著多個(gè)大學(xué)的復(fù)現(xiàn)，雖然不能直接鑒真，但也難以證偽——未來可期。

我們，正走在不斷將未來變成現(xiàn)實(shí)的路上，“未來已來”這一刻似乎不太遠(yuǎn)。

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審核編輯 黃宇