古息遊子(Oliver)

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韓國科學家引領室溫超導重大突破

(2023-08-03 06:09:24) 下一個

高麗大學化學係的創始人叫崔東植,是一個非常有個人魅力的教授。他在1994年提出了一種離經叛道的理論,叫ISB理論(Inter Atomic Superconducting Band,原子間超導帶理論)。他破天荒地認為,通過一種無機的一維高分子鏈,可以實現超導。但這和主流的BCS超導理論大相徑庭,並沒有引起太多關注,也沒有在科學界掀起絲毫的浪花。全世界隻有他自己的研究生李石培默默寫過一篇相關的碩士論文——《基於ISB理論的超導性解釋》(Explanation of Superconductivity by the ISB Theory),之後,這一理論便無人問津。這就是為什麽LK-991999年被偶然發現存在異常磁信號,但因複現困難,仍有崔東植的弟子想起崔東植的臨終交待,繼續鑽研的原因。 

 

1996年,崔東植從眾多弟子中一眼相中了金智勳,勸他放棄手上的電池材料研究,來自己的超導團隊進行化學合成,順便讀個博士學位。但三年過去,一無所獲。1999年,就在金智勳即將放棄的時候,他在一個鉛磷灰石的樣品上發現了異樣——實驗數據的圖表上有一個微弱的波動——看起來似乎由超導引發。他在激動中不斷重複實驗,最後在幾十個樣本中發現有兩個樣本可以重複這個現象。但可惜的是,這個類似超導的數據就像幽靈一般,太模糊,太微妙,難以捕捉而缺乏說服力。金智勳在一番嚐試後,始終難以放大這個信號,終於有些灰心。他預感到,如果再這麽繼續下去,博士可能是死路一條。於是,無論導師崔東植如何勸說,金智勳還是決心放棄超導,回到了電池材料的老本行研究。四年後,金智勳以電池材料的研究課題完成了博士學位,開始在一家供應助聽器電池的小公司踏踏實實地上班。失去了心靈手巧的金智勳,崔東植就像失去了左膀右臂,他隻能將所有希望寄托於還沒畢業的李石培,希望他能堅持研究。
好在李石培踏實而耐心,他和導師二人不斷修訂ISB理論,不斷縮小超導體配方的搜索範圍。但無論他倆如何努力,也難以像金智勳那樣得心應手。經過9年的時間,李石培在金智勳的研究基礎上,終於完成了超導體的合成論文,於2008年拿到了博士學位。但這一天來得太晚了,李石培在9年的博士生涯中磨滅了科研的興趣,畢業後在一所私立高校擔任老師,轉行教學生計算機。
崔東植的一維超導理論研究陷入了低穀——他曾經寄予厚望的兩個弟子:金智勳在電池公司打工,李石培則在大學裏混日子。

 

但此二人並未忘記1999年發現的幽靈。
2008年,金智勳和李石培一邊在各自單位上班,一邊又鬼使神差地繼續了研究事業。他們注冊了一個名為Qcenter(量子中心)的“皮包”公司。這個公司有一搭沒一搭地做一些谘詢業務,偶爾做一些實驗——金智勳和李石培回歸了現實生活,超導仿佛隻是一種業餘愛好,像一個青年時代的夢。1999年的發現像是一個機器中的幽靈,自驚魂一瞥後便消失得無影無蹤。
十年,彈指一揮間,二人從青年步入了中年。
2017年,導師崔東植教授忽然病重,彌留之際,特意召喚金智勳和李石培見麵。
二人看著病榻上的恩師,往事湧上心頭。臨終前,導師叮囑二人,一定要找到1999年出現的那個幽靈:“拜托了,繼續研究下去。但是在完美實現之前,不要讓世界看到它。”
在老先生的心中,也許室溫超導就像一朵白蓮花,容不得半點瑕疵和虛假。
5月份,崔東植教授撒手人寰。
李石培決意繼承導師的遺誌,開始重新籌建實驗室,繼續研究。
但現實很殘酷。他和金智勳簡單算了一下,研究需要一台電子自旋共振譜儀(ESR,Electron spin resonance),用來檢測檢測物質中不成對電子的特性,還需要一台超導量子幹涉儀(SQUID,superconducting quantum interference device),用來測量微弱的磁通量變化。但這些儀器都非常昂貴,顯然無法由個人承擔。而且,現在大家有了家室,也不能像學生時代那樣無所顧忌,要想全職進行超導研究,就隻能對外籌集資金。
但籌錢何其難哉!
起先,在導師老友吳根浩教授的幫助下,他們向韓國國家科學基金會提交了一份申請。但基金會的專家看到這十年之間二人沒有發表過一篇論文,於是十分果斷地拒絕了。
但李石培並不死心,又向權英完教授拋出了橄欖枝。
權英完是高麗大學的終身教授,信譽良好,成果斐然,而且有ESR和SQUID儀器的使用權。當然,權英完覺得這對搭檔有些業餘,不過,他想到自己不用承擔太多責任,如果能獲得資助,何樂而不為呢? 於是,2017 年底,權英完入職Qcenter,在大學工作後偶爾過來。
實驗室在權英完的加持下獲得了資助。
2017年底,Qcenter購買了一台 ESR設備;2018 年初,金智勳全職加入團隊。
有了金智勳的全情投入,還有權英完教授的加持,這個小小的團隊簡直成了超導研究的韓國夢之隊!
但令人始料不及的是,金智勳和權英完並不和諧,二人摩擦不斷。
權英完是一個學院派物理學家,他不滿足於簡單的實驗現象和數據羅列,認為研究的目的是發現超導現象背後的本質理論。
而金智勳是一個實幹主義的實驗派,他關注 ESR上發現的數據和信號,相信隻有明白無誤、無可辯駁的事實才是科學的真諦。
真所謂——道不同,不相與謀也。
而李石培意識到,在過去的20年裏,隻有金智勳是唯一那個曾經接近超導鬼魂的人。離開金智勳,他們將一無所成。
於是,李石培開始充當和事佬,他在兩人之間斡旋。實驗又開始磕磕絆絆地推進了。
2018 年初,金智勳很快便重現了1999年發現的痕量超導現象。這一次,他卯足了精神,決心不再讓這個鬼魂在眼皮底下溜走。
他不斷打磨實驗,不斷放大這個倏忽即逝的信號。
但這個信號太微弱了。
它是什麽?它看似是圖表上的一個微微抖動,但卻是某個真實發生的神秘事件在現實中的隱約回聲。
金智勳就像是宇宙中的馬可波羅一樣,蒙著眼睛,在未知的大海中探索新的疆域。無數次的實驗裏,他一遍又一遍地呼喊,一次又一次地傾聽ESR的回應。數據時好時壞,他距離真相時遠時近。
時間一天一天地過去了。此時的金智勳在理論指導下,發明了一種全新的方法來篩選和搜索。但材料的排列組合如同茫茫大海,找到室溫超導體如同大海撈針。
理論也隻能止步於此。
2020年,新冠席卷全球,實驗室因疫情而封鎖,大家如同被囚禁在大海上的孤島上一般,與外界失去了聯係。
在封鎖期間的一個早晨,金智勳在圖表上看到了一個巨大的峰!他為之一振——這是幽靈的影子第一次被確切地記錄!
他不斷測試。
但奇怪的是,用同樣的材料,在同樣的環境下,他卻怎麽也無法重複這個結果。
宇宙仿佛開了一個玩笑。這怎麽可能?
金智勳不斷翻看實驗筆記,精確重複這次異常測試的方法,但沒有發現任何結果。
不過,金智勳有個好習慣,他在每個樣品進入熔爐之前和之後,都會進行拍攝記錄。
他檢查了實驗室的錄像——功夫不負苦心人,他終於發現了異常的蛛絲馬跡——出爐的石英管中,有一個出現了一道裂紋。
金智勳疑惑,難道,這就是召喚幽靈的咒語?
他仔細查看視頻,發現自己在將試管從爐子拿出轉移到秤上時,手肘不小心撞到了桌子,微微磕碎了試管。
此時,金光再現,醍醐灌頂。

 

金智勳意識到,在鉛磷灰石結晶過程中的某個微妙時刻,需要引入氧氣來改變正在形成的晶體結構!這才是重複實驗的關鍵!
至此之後,實驗進展飛速。
三個月後,Qcenter經過1000多次實驗,終於捉住了這個困擾團隊 20 年之久的幽靈,成功將其封印在結晶裏。
現在,你可以把它握在手裏,它可以在磁場中半懸浮,如同一塊魔法石。
LK-99的抗磁性表現李石培欣喜若狂。
李石培和金智勳從各自的姓中取出一個字母,用LK-99來命名這種新材料,以紀念1999年發現的痕量超導。 
LK-99化學結構示意權英完驚呆了。他如夢方醒,開始試圖從物理角度進行理論分析。他一開始就不相信崔東植的超導理論,不相信一維超導理論能夠解釋實驗現象。權英完明白,現在自己比其他所有科學家都領先一步,如果他能最先弄清楚背後原理,諾貝爾獎也將有他一份。
這導致他和團隊中的其他成員發生了直接衝突。
此時,成果亟待發表,而團隊分裂。新的困擾又出現在麵前。
Qcenter沒有足夠的資金和設備進行更加全麵的測量。這種超導材料變成普通材料的臨界溫度非常之高,甚至超出了普通設備的測量範圍!
終於,2020年,團隊克服各種困難,完成了一篇論文投給《自然》雜誌,希望能夠獲得編輯青睞。但不幸地是,稿件很快就被拒稿——這個投稿時機不是太好,羅徹斯特大學的Ranga Dias剛剛被揭穿室溫超導作弊。而權英完則認為,拒稿的原因是因為文中崔東植的一維超導理論不夠完備。
在一番討論後,大家認為,論文必須要有更權威的教授參與才能發表。而恰好此時,美國威廉與瑪麗學院的金鉉卓發表了一篇超導論文,於是,大家本著都是韓國人的緣分,開始嚐試聯係金鉉卓教授。
而金教授表現出一個主流科學家的正常反應,委婉地邀請他們到美國進行實驗。
李石培當然明白,這意味著隻有把LK-99確切地展示在金鉉卓眼前,他才會被說服和打動。但疫情的封鎖,讓任何跨國的交流都舉步維艱。
團隊隻好放棄幻想,開始申請專利,寫新的論文。
疫情大大拖緩了Qcenter的進度。
李石培讓團隊專注於後續研究,比如LK-99的氣相沉積製備,後期如果大規模應用,在電子生產的流水線上必須完成這一步驟。權英完則在 2021年底向大學申請了休假,全力專注於理論研究。
Qcenter並沒有完美的理論來解釋LK-99為什麽會起作用——整個實驗過程非常苛刻。實驗粉末必須用研缽和研杵均勻混合,顆粒必須完全均勻。如果購買了預先混合的粉末,或者沒有使用研缽和研杵,甚至從爐子移動到冷卻站的速度太慢,都將會導致結晶失敗。(這也許是最近全世界的實驗室都未能複現結果的原因)
而此時,全世界隻有一個人,偶爾可以在石英管離開熔爐的某個玄妙時刻,通過快速打破試管來製造這種神奇的浮石。
這個人就是金智勳。
時間流逝,韓國的疫情管控開始鬆動。美國的金鉉卓教授飛越大洋,終於見到了傳說中的LK-99,他立刻被這種神奇的材料打動了。超導研究在此刻終於迎來了重大的轉機。
在金智勳的幫助下,金鉉卓開始能夠在美國獨立複製LK-99。這種材料的產量很低,大約10次製備才有一次偶然的成功。
後續如果要充分研究這種物質,Qcenter還需要更大的資金投入[1]。
但金鉉卓的加入,也讓團隊結構發生了變化——權英完被邊緣化,分工變得不太重要——隻是負責SQUID的測量。2023年3月,在一次激烈衝突後,權英完被Qcenter解雇。
眾所周知,諾貝爾獎最多隻能有三個人分享,而李石培和金智勳必然占據兩個名額,權英完知道,金鉉卓和自己隻能有一人上榜,他獲得諾貝爾獎的希望變得十分渺茫。
7月22日早上7點,權英完在arXiv上搶先發布了第一篇論文。雖然此時LK-99的研究並不完善,過早發表論文並不明智,權英完應該是試圖作最後一搏。
很快,我們看到,金鉉卓在兩個半小時後發表了一篇數據更為詳實的論文——當然,這篇論文裏沒有權英完的名字。

 

7 月 31 日,美國頂尖實驗室勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)納米結構材料理論研究員西妮德 · 格裏芬(Sin é ad Griffin)發文表示,其使用了密度泛函理論(DFT)和 GGA+U 方法進行了計算,為近期韓國團隊所謂的 " 室溫常壓超導材料 " 提供了理論依據,給超導材料的研究提供了新的方向和啟示。

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閱讀 ()評論 (8)
評論
tintin9999 回複 悄悄話 所以,韓國撤稿有可能是因為內部名份衝突的原因。感覺相關的材料研究發展還是值得跟蹤和深入研究的。
ahniu 回複 悄悄話 想象力太強了,不靠譜。
Shanechen 回複 悄悄話 現在雖然還不是自然環境下的超導,但已經看到????光了。俺腦洞大開一哈:全國忙於拆除高壓輸電線,把鐵塔回爐,用一根牙簽粗的超導線代之,而且可直接埋地下即可,因為再不需要高壓輸電了。
Hurstian 回複 悄悄話 感動
davidinchina 回複 悄悄話 我也希望他們成功,問題是目前還沒有人能重複他們的結果啊。
6ba6 回複 悄悄話 這種負阻效應的陶瓷在中國的燒瓷窖大把。重複很難,千窖千陶,變化的因素太多了
武勝 回複 悄悄話 故事不錯。但實驗重複這麽難,必須要後續研究突破其穩定製備問題,否則“玄妙時刻”不太靠譜。
唐宋韻 回複 悄悄話 這是一篇極其有意思的故事。謝謝博主。
隻要室溫超導證明屬實,拍出的電影將比 A beautiful mind 有趣得多。
這個世界上,堅持追尋難以實現的夢想的人不太多。
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