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室溫超導(dǎo)將顛覆現(xiàn)有通信格局。

室溫超導(dǎo)來了？烏龍還是第四次工業(yè)革命？

7月22日，韓國量子能源研究中心研究團(tuán)隊(duì)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。

【資料圖】

室溫超導(dǎo)來了？

自1911 年荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?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(diǎn)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(bào)道了美國羅切斯特大學(xué)實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室宣布，在超級計(jì)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(duì)宣稱復(fù)現(xiàn)了韓國團(tuán)隊(duì)的磁懸浮實(shí)驗(yàn)，山東曲阜師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)復(fù)現(xiàn)了該材料的抗磁等特性，但是尚未完全驗(yàn)證其為室溫超導(dǎo)材料?！比A南理工大學(xué)副研究員陳海東在接受《通信產(chǎn)業(yè)報(bào)》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(duì)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(duì)、多次重復(fù)的反復(fù)驗(yàn)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(yàn)證委員會”，檢驗(yàn)該成果的真實(shí)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(yùn)維成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

舉例來說，通信系統(tǒng)為了實(shí)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(diǎn)，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?yàn)閾p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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)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(jì)算（包括量子計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速、低能耗的列車運(yùn)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(shí)現(xiàn)高速運(yùn)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?/p>

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(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，具有極高的計(jì)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?yàn)闆]有可靠的經(jīng)驗(yàn)?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)。