十多天前， 韓國科研團隊等人員宣稱一種銅摻雜鉛磷灰石材料“LK-99”具有室溫超導性能。 目前中美俄等多個研究團隊正在嘗試驗證其實驗結(jié)果。

8月1日，華中科技大學宣布成功復現(xiàn)磁懸浮的“LK-99”晶體。 該晶體懸浮的角度比韓國量子能源研究中心獲得的樣品磁懸浮角度更大。


超導材料的從0到1

想要理解這一發(fā)現(xiàn)的重要意義，金之儉教授梳理并回顧了超導的發(fā)展歷程。

超導是指一種材料在低溫下電阻突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。

1911年2月，荷蘭科學家昂納斯將汞Hg的溫度降低至稍低于4.2K時，即接近絕對零度（-273.15℃），汞的電阻突然消失表現(xiàn)出超導狀態(tài)。昂納斯也因超導體的發(fā)現(xiàn)，于1913年獲得諾貝爾物理學獎。

自從昂里斯發(fā)現(xiàn)汞的超導特性后，物理學家們 幾乎把元素周期表里所有的金屬翻了遍，尋找有可能的超導元素。 具有超導特性的材料有成千上萬種，但是真正能夠?qū)嵱玫某瑢Р牧蠜]超過十種。 超導材料能否實用不僅要有合適的臨界溫度、臨界電流密度和臨界磁場，還要看這個材料的機械特性、制備難度和成本等多個因素。

物理學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)很多金屬化合物同樣是超導材料，但超導材料的臨界溫度仍沒辦法突破30K，似乎有個看不見的天花板，稱之為麥克米蘭極限。

超導材料真正走到產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應用是國際核聚變實驗堆項目ITER計劃。我國加入ITER計劃后，完成了自主制備低溫超導導線，孕育了當前科創(chuàng)板明星企業(yè)——西部超導。低溫超導材料由ITER項目拉動已形成很大產(chǎn)業(yè)，如核磁共振加速器等都是低溫超導材料的產(chǎn)物。

多年的探索一直沒有突破麥克米蘭極限，科學家不得不另辟蹊徑尋找新的超導材料。瑞士IBM公司工程師柏諾慈和繆勒研究過渡金屬氧化物的導電性，在一堆絕緣陶瓷材料里尋找超導體，多年的努力終于發(fā)現(xiàn)在鋇鑭銅氧化物體系可能具有超導電性，并且找到了明確的零電子效應，突破了麥克米蘭極限。

1987年2月，我國趙忠賢院士和美國科學家朱經(jīng)武幾乎同時發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧（YBCO）92.8K轉(zhuǎn)變溫度，液氮溫區(qū)超導材料由此產(chǎn)生。

目前大規(guī)模量產(chǎn)的仍是YBCO高溫超導帶材制備技術(shù)，約90%成分是銅和不銹鋼基帶，原材料成本并不高，超導帶材成本主要取決于性能水平、成品率和量產(chǎn)水平，未來成本下降空間巨大。

這種超導材料在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應用，比如 磁懸浮列車、MRI、核聚變 等。但由于目前超導材料只在極低溫度下才能實現(xiàn)這種電性，限制了其在實際應用中的范圍。


“常溫超導體”究竟是啥？

中信證券研報指出，超導材料是指在一定溫度下具備“零電阻”和“完全抗磁性”特征的材料。根據(jù)臨界轉(zhuǎn)變溫度的不同，超導材料可以分為低溫超導材料和高溫超導材料。近年來理論性能更加優(yōu)異的室溫超導材料成為學術(shù)界的焦點。

超導材料的特殊性能使其在多個領(lǐng)域具備廣闊的應用前景：1）大電流應用，將超導體應用在長距離輸電線、發(fā)電及儲能領(lǐng)域，從而大幅降低電阻熱效應帶來的能量損耗，提高電力傳輸?shù)男省?）電子學應用，超導體用于電子元器件領(lǐng)域?qū)⒖朔犭y的問題，同時大幅提高計算機的運行速度。3）抗磁性應用，超導體的完全抗磁性可以應用在磁懸浮列車和可控核聚變等領(lǐng)域。超導材料還可應用于核磁共振成像、超導感應加熱、超導限流器、超導電機等。

低溫超導材料形成成熟產(chǎn)業(yè)鏈，未來將受益于光伏、醫(yī)療等行業(yè)需求增長。

NiTi和Ni3Sn是目前已實現(xiàn)商業(yè)化應用的低溫超導材料，主要用于生產(chǎn)超導磁體，應用于磁共振成像（MRI）、磁控直拉單晶硅技術(shù)（MCZ）、核磁共振譜儀（NMR）、國際熱核聚變實驗堆（ITER）和高能質(zhì)子加速器等行業(yè)，在當前超導行業(yè)市場份額超過90%。未來低溫超導材料需求有望受益于光伏行業(yè)的高景氣度和國內(nèi)MRI設(shè)備市場規(guī)模的高增速實現(xiàn)穩(wěn)定增長。

高溫超導材料處于產(chǎn)業(yè)化初期，在可控核聚變等領(lǐng)域應用前景誘人。

以釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）為代表的高溫超導材料的臨界溫度超過77K（液氮溫度），使其具備較傳統(tǒng)低溫超導材料更加溫和的使用環(huán)境。由于高溫超導材料多為陶瓷，加工性能較差且目前成本較高，目前還處于產(chǎn)業(yè)化初期。但其優(yōu)異的性能使其在高溫超導電纜、磁懸浮列車、緊湊型可控核聚變等領(lǐng)域具備廣闊的使用前景。根據(jù)Conectus預測數(shù)據(jù)，至2030年，高溫超導材料市場份額有望從當前不足10%提升至25%。

室溫常壓超導是行業(yè)發(fā)展的重要方向，目前仍處于探索階段。

在超高壓條件下合成的部分超導材料的臨界溫度已經(jīng)接近室溫水平，但苛刻的制備條件阻礙了材料的大規(guī)模應用。2023年以來，陸續(xù)有研究團隊報導了室溫超導材料，甚至是常壓條件下制備的室溫超導材料，引發(fā)市場廣泛關(guān)注。但目前上述研究成果均未得到嚴格驗證，室溫常壓超導材料或仍面臨漫長的探索進程。


萬億市場前景？

推特上，一位自稱仿星器工程師，名叫安德魯·科特（Andrew Cote）的美國舊金山網(wǎng)友發(fā)表了一篇文章，根據(jù)LK-99可能的工程性能，從三種場景分析了LK-99可能帶來的市場規(guī)模，初步估計總值可能高達4.5萬億美元。

科特認為，如果LK-99具有常溫超導性，由于超導體性能的兩個限制：電流和磁場，它的超導性能取決于LK-99能夠承受多大的電流密度和磁場強度，可能會出現(xiàn)三種情況，分別是低場低電流、低場高電流和高場高電流。

那么，這三種情況分別適用于哪些應用呢？它們又有多大的市場規(guī)模呢？


低場低電流：微電子領(lǐng)域的革命

如果LK-99只能在較低的磁場（如0.3特斯拉）和較低的電流密度（如1安培/平方毫米）下工作，那么它就屬于低場低電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于微電子領(lǐng)域，因為它可以在小尺寸和高效率的條件下傳導電流，而且具有極高的靈敏度。

這對于量子計算機、量子傳感器、量子通信等領(lǐng)域都有重要的意義，因為它們需要利用量子效應來實現(xiàn)高速、高密度、高安全的信息處理和傳輸。

例如，使用LK-99制造的量子比特可以在常溫下保持較長時間的相干性，從而提高量子計算機的性能和可靠性。

使用LK-99制造的量子傳感器可以檢測到極微弱的信號，從而提高醫(yī)療、生物、地質(zhì)等領(lǐng)域的診斷和探測能力。

使用LK-99制造的量子通信設(shè)備可以實現(xiàn)無條件安全的信息傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域的安全性和效率。

根據(jù)該文章分析，在低場低電流情況下，LK-99可以革命化以下行業(yè)：

電信硬件：6500億美元

手機：4500億美元

電子傳感器：2000億美元

衛(wèi)星：700億美元

圖形處理器：400億美元

中央處理器：200億美元

天線：200億美元

總計約1.5萬億美元


低場高電流：輸電領(lǐng)域的變革

如果LK-99能夠承受較大的電流密度（如1000安培/平方毫米），但不能承受強磁場，那么它就屬于低場高電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于輸電領(lǐng)域，因為它可以在無損耗的情況下傳輸大電流，從而提高電網(wǎng)的效率和穩(wěn)定性。

此外，LK-99還可以用于制造超導開關(guān)、超導變壓器、超導儲能等設(shè)備，以實現(xiàn)智能電網(wǎng)的建設(shè)和管理。

例如，使用LK-99制造的超導開關(guān)可以實現(xiàn)快速、可靠、低損耗的電力控制，從而提高電網(wǎng)的靈活性和安全性。

使用LK-99制造的超導變壓器可以實現(xiàn)高效、緊湊、輕便的電力轉(zhuǎn)換，從而提高電網(wǎng)的質(zhì)量和容量。

使用LK-99制造的超導儲能可以實現(xiàn)大規(guī)模、高效、低成本的電力儲存，從而提高電網(wǎng)的平衡和可靠性。

根據(jù)文章分析，在低場高電流情況下，LK-99可以變革以下行業(yè)：

輸電：3200億美元

電線電纜：2000億美元

開關(guān)繼電器：250億美元

總計約0.55萬億美元

高場高電流：發(fā)電領(lǐng)域的突破

如果LK-99能夠在高磁場（如幾個特斯拉）和高電流密度（如1000安培/平方毫米）下工作，那么它就屬于高場高電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于發(fā)電領(lǐng)域，因為它可以在強磁場中工作，從而實現(xiàn)高效的電動機、發(fā)電機、風力發(fā)電等設(shè)備。

更重要的是，LK-99還可以用于人造太陽（核聚變）項目，因為它可以制造出強大且穩(wěn)定的磁約束來控制高溫等離子體，從而實現(xiàn)清潔、安全、可持續(xù)的能源。 超導材料是實現(xiàn)核聚變的關(guān)鍵技術(shù)之一，因為它可以產(chǎn)生強大且穩(wěn)定的磁場來約束等離子體，防止它與反應堆壁接觸而失去能量。 如果LK-99是一種高場高電流的超導材料，那么它將極大地降低核聚變反應堆的成本和復雜度，從而加速核聚變技術(shù)的發(fā)展和應用。

此外，全球的交通運輸也可能發(fā)生聚變，因為LK-99有望將磁懸浮列車的成本降低到令人震驚的地步。

根據(jù)分析文章，在高場高電流情況下，LK-99可以突破以下行業(yè)：

發(fā)電：1.8萬億美元

電動機：3000億美元

鐵路貨運：2500億美元

儲能：2000億美元

總計約2.55萬億美元。

如果出現(xiàn)最樂觀的情況，即所有場景都能實現(xiàn)，那么將總計帶來4.5萬億美元的市場，當然，這只是科特自己的初步估算。但無論如何，一旦最終證實LK-99具有室溫超導性，它將對人類社會產(chǎn)生巨大的影響，改變許多行業(yè)的發(fā)展方向和競爭格局。