十多天前， 韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)等人員宣稱一種銅摻雜鉛磷灰石材料“LK-99”具有室溫超導(dǎo)性能。 目前中美俄等多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在嘗試驗(yàn)證其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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


超導(dǎo)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(dǎo)的發(fā)展歷程。

超導(dǎo)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(xué)家昂納斯將汞Hg的溫度降低至稍低于4.2K時(shí)，即接近絕對(duì)零度（-273.15℃），汞的電阻突然消失表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。昂納斯也因超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，于1913年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自從昂里斯發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)特性后，物理學(xué)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(dǎo)元素。 具有超導(dǎo)特性的材料有成千上萬種，但是真正能夠?qū)嵱玫某瑢?dǎo)材料沒超過十種。 超導(dǎo)材料能否實(shí)用不僅要有合適的臨界溫度、臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)，還要看這個(gè)材料的機(jī)械特性、制備難度和成本等多個(gè)因素。

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

超導(dǎo)材料真正走到產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用是國(guó)際核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目ITER計(jì)劃。我國(guó)加入ITER計(jì)劃后，完成了自主制備低溫超導(dǎo)導(dǎo)線，孕育了當(dāng)前科創(chuàng)板明星企業(yè)——西部超導(dǎo)。低溫超導(dǎo)材料由ITER項(xiàng)目拉動(dòng)已形成很大產(chǎn)業(yè)，如核磁共振加速器等都是低溫超導(dǎo)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(xué)家不得不另辟蹊徑尋找新的超導(dǎo)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(dǎo)電性，在一堆絕緣陶瓷材料里尋找超導(dǎo)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(dǎo)電性，并且找到了明確的零電子效應(yīng)，突破了麥克米蘭極限。

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

目前大規(guī)模量產(chǎn)的仍是YBCO高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)材料在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，比如 磁懸浮列車、MRI、核聚變 等。但由于目前超導(dǎo)材料只在極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)這種電性，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的范圍。


“常溫超導(dǎo)體”究竟是啥？

中信證券研報(bào)指出，超導(dǎo)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(dǎo)材料可以分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。近年來理論性能更加優(yōu)異的室溫超導(dǎo)材料成為學(xué)術(shù)界的焦點(diǎn)。

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

低溫超導(dǎo)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(zhǎng)。

NiTi和Ni3Sn是目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的低溫超導(dǎo)材料，主要用于生產(chǎn)超導(dǎo)磁體，應(yīng)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(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和高能質(zhì)子加速器等行業(yè)，在當(dāng)前超導(dǎo)行業(yè)市場(chǎng)份額超過90%。未來低溫超導(dǎo)材料需求有望受益于光伏行業(yè)的高景氣度和國(guó)內(nèi)MRI設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的高增速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)。

高溫超導(dǎo)材料處于產(chǎn)業(yè)化初期，在可控核聚變等領(lǐng)域應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)材料更加溫和的使用環(huán)境。由于高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，至2030年，高溫超導(dǎo)材料市場(chǎng)份額有望從當(dāng)前不足10%提升至25%。

室溫常壓超導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用。2023年以來，陸續(xù)有研究團(tuán)隊(duì)報(bào)導(dǎo)了室溫超導(dǎo)材料，甚至是常壓條件下制備的室溫超導(dǎo)材料，引發(fā)市場(chǎng)廣泛關(guān)注。但目前上述研究成果均未得到嚴(yán)格驗(yàn)證，室溫常壓超導(dǎo)材料或仍面臨漫長(zhǎng)的探索進(jìn)程。


萬億市場(chǎng)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(guó)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(chǎng)景分析了LK-99可能帶來的市場(chǎng)規(guī)模，初步估計(jì)總值可能高達(dá)4.5萬億美元。

科特認(rèn)為，如果LK-99具有常溫超導(dǎo)性，由于超導(dǎo)體性能的兩個(gè)限制：電流和磁場(chǎng)，它的超導(dǎo)性能取決于LK-99能夠承受多大的電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，可能會(huì)出現(xiàn)三種情況，分別是低場(chǎng)低電流、低場(chǎng)高電流和高場(chǎng)高電流。

那么，這三種情況分別適用于哪些應(yīng)用呢？它們又有多大的市場(chǎng)規(guī)模呢？


低場(chǎng)低電流：微電子領(lǐng)域的革命

如果LK-99只能在較低的磁場(chǎng)（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(chǎng)低電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于微電子領(lǐng)域，因?yàn)樗梢栽谛〕叽绾透咝实臈l件下傳導(dǎo)電流，而且具有極高的靈敏度。

這對(duì)于量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器、量子通信等領(lǐng)域都有重要的意義，因?yàn)樗鼈冃枰昧孔有?yīng)來實(shí)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(zhǎng)時(shí)間的相干性，從而提高量子計(jì)算機(jī)的性能和可靠性。

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

使用LK-99制造的量子通信設(shè)備可以實(shí)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(chǎng)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(jī)：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(jì)約1.5萬億美元


低場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)，那么它就屬于低場(chǎng)高電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于輸電領(lǐng)域，因?yàn)樗梢栽跓o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(dǎo)開關(guān)、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能等設(shè)備，以實(shí)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(dǎo)開關(guān)可以實(shí)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(dǎo)變壓器可以實(shí)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(dǎo)儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效、低成本的電力儲(chǔ)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(chǎng)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(jì)約0.55萬億美元

高場(chǎng)高電流：發(fā)電領(lǐng)域的突破

如果LK-99能夠在高磁場(chǎng)（如幾個(gè)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(chǎng)高電流的情況。 這種情況下，LK-99適用于發(fā)電領(lǐng)域，因?yàn)樗梢栽趶?qiáng)磁場(chǎng)中工作，從而實(shí)現(xiàn)高效的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)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(xiàng)目，因?yàn)樗梢灾圃斐鰪?qiáng)大且穩(wěn)定的磁約束來控制高溫等離子體，從而實(shí)現(xiàn)清潔、安全、可持續(xù)的能源。 超導(dǎo)材料是實(shí)現(xiàn)核聚變的關(guān)鍵技術(shù)之一，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生強(qiáng)大且穩(wěn)定的磁場(chǎng)來約束等離子體，防止它與反應(yīng)堆壁接觸而失去能量。 如果LK-99是一種高場(chǎng)高電流的超導(dǎo)材料，那么它將極大地降低核聚變反應(yīng)堆的成本和復(fù)雜度，從而加速核聚變技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

此外，全球的交通運(yùn)輸也可能發(fā)生聚變，因?yàn)長(zhǎng)K-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(chǎng)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(dòng)機(jī)：3000億美元

鐵路貨運(yùn)：2500億美元

儲(chǔ)能：2000億美元

總計(jì)約2.55萬億美元。

如果出現(xiàn)最樂觀的情況，即所有場(chǎng)景都能實(shí)現(xiàn)，那么將總計(jì)帶來4.5萬億美元的市場(chǎng)，當(dāng)然，這只是科特自己的初步估算。但無論如何，一旦最終證實(shí)LK-99具有室溫超導(dǎo)性，它將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，改變?cè)S多行業(yè)的發(fā)展方向和競(jìng)爭(zhēng)格局。