室温超导：静待实验复现，关注超导材料发展＆铅应用变化趋势—20230801

【天风金属】常压室温超导：静待实验复现，关注超导材料发展＆铅等资源品应用变化趋势 【事件】（1）7月22日，韩国研究团队在预印本网站arXiv发布论文，声称合成了全球首个室温常压超导体LK-99，临界温度为127℃；（2）8月1日，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在arXiv上提交论文称，模拟计算结果支持LK-99作为室温环境压力超导体。 【超导材料是什么？—物理学的“圣杯”】 超导材料：超导，全称超导电性，是指材料温度降低至临界温度（Tc）时，电阻会突然消失的现象。超导材料具备完全抗磁性，又称迈斯纳效应，是指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。超导材料凭借独特的性能和巨大的应用潜力百年来吸引着众多科学家的不断探索。 学术界的研究方向在于获得更高的临界温度。1911年,荷兰物理学家Onnes首次发现了超 导现象。1957年，Bardeen、Copper和Schrieffer提出了BCS理论，用以解释低温超 导现象，这一理论预言低温超导的临界温度不太可能能超过40K，这被称为麦克米兰极限。1986年，Bednorz和Muller成功合成了钙钛矿结构的镧钡铜氧化物，临界温度35K，这种材料的超导机制与低温超导完全不同，因而被称为高温超导。2008年，日本的 Hosono团队报道了层状结构的LaFeAsO体系的26K超导体，随后中国科学家合成了一系列铁基化合物，超导临界温度突破了麦克米兰极限，达到了55K。 现有的超导体材料可以分为低温超导体和高温超导体。经过一百多年的研究，人们已经发 现了多达数万种超导体。按照临界温度的高低，将临界温度低于麦克米兰极限（40K）的超导体称为为低温超导体，临界温度高于40K的超导体称为高温超导体。目前，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（4.2K及以下），基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。 【超导体应用与研究现状如何？】 低温超导材料制备技术与工艺已相当成熟。目前应用较多的低温超导材料主要包括NbTi、 Nb3Sn、Nb3Al等，下游主要应用在加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振 （MRI和NMR）磁体、通用超导磁体等领域。 我国高温超导商业化起步较晚。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）以及铁基超导材料等。美国牛津仪器公司、欧洲耐克森公司、日本昭和电线电缆株式会社等公司已具备批量化生产高温超导线材能力，部分铋系、二硼化镁线材已经成功应用于液氮下运行的发电机、传输电缆、分流电压器等领域。我国高温超导材料的制备与开发进程落后于欧美、日本等发达国家，部分超导应用产品生产企业尚处于研发阶段。 现有的室温超导材料只能在高压下实现。2014年，吉林大学的马琰铭和崔田团队基于 BSC理论，各自通过理论计算做出预测：HS在160GPa下会变身高温超导体，临界温度为80K；HS与H复合成的H3S结构在200GPa下超导，临界温度在191K至204K之 间。2015年9月，德国马普化学研究所的A.P.Drozdov、M.I.Eremets等人发现，当压缩HS到接近2百万倍大气压下时，可实现203K（约-70℃）温度下超导。2019年， A.P.Drozdov、M.I.Eremets等人实现自我突破，再次在《Nature》发文报道，在250K （约-23℃）的超导临界温度下，氢化镧（LaH10）会在170GPa高压下变成超导体。 【常压室温超导的突破会带来什么？】 常压室温超导一旦突破，对人类文明意义非凡。目前的超导材料的应用局限于低温和高压 环境，如果室温常压超导材料取得突破，将在能源、交通、计算、医疗检测等诸多领域产生变革。 1.更高效的电子设备。由于完全不用考虑电阻发热，超导电子元件可以实现更高的计算速度、更低的功耗和更高的集成度，从而推动计算机和通信设备的性能提升。 2.无损耗的电力输送。目前使用铜导线进行远距离电力输送，约有15%的电能损耗。由超导材料制作的导线和变压器，由于没有电阻，可以无损耗地输送到用户。 3.磁悬浮列车降本。超导磁悬浮列车内部集成了超导磁体来产生强大的磁场，从而使高速列车悬浮并以极高速度行驶。这将大大提高交通运输的效率和速度，同时减少能源消耗和环境污染。 4.推动核聚变发电发展。核聚变反应时，内部温度可达1亿摄氏度以上，需要依靠超导体 产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为可能。 【常压室温超导仍需实验复现】 2023年7月22日，韩国SukbaeLee等人发布论文，声称以黄铅矿和磷化亚铜合成了全球首个常压室温超导材料LK-99（改性铅磷灰石晶体结构），临界温度为127℃。该团队称，LK-99的超导性起源于Cu2＋离子取代Pb2＋离子导致的体积收缩（0.48％）带来的细微结构畸变，从而产生了超导量子阱（SQW）。 2023年8月1日，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在arXiv上提交论文称，模拟计算结果支持LK-99作为室温环境压力超导体，已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础。 韩国团队的此项研究受到了全世界的广泛关注，已有多个研究正在努力复现实验成果，预 计很快将会有进一步的验证结果。 欢迎联系【天风金属团队】刘奕町/杨洋/张斯恺/项祈瑞/曾先毅/陈凯丽