我們會(huì)見(jiàn)證超導(dǎo)時(shí)代的到來(lái)嗎？

從7月底開(kāi)始，“室溫超導(dǎo)”風(fēng)暴席卷全球，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)在arXiv上傳了兩篇論文，宣稱成功合成了世界上第一個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體——改性鉛磷灰石晶體結(jié)構(gòu)（LK-99）[1]

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起了科研界熱議，與此同時(shí)，各國(guó)迅速展開(kāi)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，包括中國(guó)高校以及美國(guó)相關(guān)公司、實(shí)驗(yàn)室，然而，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是理論計(jì)算，不同的論文結(jié)果卻大相徑庭。有的論文給出了支持超導(dǎo)的幾項(xiàng)證據(jù)[2][3]，有的卻說(shuō)只是普通磁性材料[4]，甚至是雜質(zhì)的假信號(hào)[5]。LK-99的前景也隨著論文的更新不停反轉(zhuǎn)，籠罩在LK-99上的迷霧似乎越發(fā)濃重。

眾所周知，電流的傳導(dǎo)需要電子的移動(dòng)，而溫度則與原子的振動(dòng)有關(guān)。電子在移動(dòng)時(shí)，會(huì)受到振動(dòng)的原子的阻礙，形成電阻。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，電阻越大；反之亦然。常溫超導(dǎo)就是在材料的臨界溫度以下，原子停止振動(dòng)，電子可以自由通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)零電阻的狀態(tài)。

在過(guò)去的數(shù)十年里，人們一直努力提高超導(dǎo)材料的臨界溫度。從1911年到1986年的75年間，臨界溫度僅從4K提高到23K，再到1986年達(dá)到35K。目前大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料是1987年發(fā)現(xiàn)的一種，但它依然需要在液氮溫區(qū)工作，液氮的溫度為零下196℃。因此，現(xiàn)在有研究人員聲稱發(fā)現(xiàn)常壓常溫超導(dǎo)材料，如果為真，則將是一項(xiàng)具有歷史性突破的成就。

新的超導(dǎo)材料要想獲得認(rèn)可，既需要作者給出令人信服的數(shù)據(jù)，又需要其他同行能夠重復(fù)出同樣的效果。要想確定一種新材料是否具有超導(dǎo)性，總需要用一臺(tái)儀器對(duì)一塊樣品做點(diǎn)什么。因此，對(duì)疑似超導(dǎo)體的驗(yàn)證工作至少可以分成兩大部分：獲得一塊高質(zhì)量的樣品，和對(duì)樣品完成測(cè)試。

制備樣品需要復(fù)雜的合成步驟，以及多次驗(yàn)證，獲得到一份完整純凈的樣品就不是一件易事。就算獲得了堪用的樣品，怎樣用它測(cè)出有服力的數(shù)據(jù)同樣是一件技術(shù)活：常規(guī)的測(cè)電阻的方法而言，比如四探針?lè)?，樣品首先需要清潔打磨——如果磨的力量輕了，樣品表面的雜質(zhì)沒(méi)被剝離，就會(huì)帶來(lái)假信號(hào)；如果磨得重了，樣品可能直接四分五裂。磨好以后，還要并排粘上四根導(dǎo)電電極。電極要粘得平行等長(zhǎng)，彼此還要留出足夠的距離。從打磨到粘電極，這些顯微鏡下的精細(xì)活都要迅速完成，不然樣品在空氣中氧化變質(zhì)，前面的工作就會(huì)全部前功盡棄了。

實(shí)際上在樣品表征的這一步，如果有更為簡(jiǎn)單的非接觸式的電阻檢測(cè)技術(shù)，那對(duì)于超導(dǎo)材料的驗(yàn)證將會(huì)變得更加容易。針對(duì)薄膜以及二維材料的電參數(shù)無(wú)損檢測(cè)需求，虹科提供基于太赫茲技術(shù)的Onyx系統(tǒng)，能夠無(wú)損傷、非接觸式地測(cè)量材料的多種電參數(shù)，助力超導(dǎo)材料的研究！

虹科方案：太赫茲Onyx系統(tǒng)

太赫茲波位于微波與紅外之間，具有諸多優(yōu)異性質(zhì)，比如沒(méi)有電離輻射，對(duì)非極性材料的優(yōu)異穿透性，以及非接觸式的工作方式，在缺陷檢測(cè)、涂層測(cè)厚、參數(shù)表征功能方面具有極佳的應(yīng)用前景。

虹科Onyx系統(tǒng)基于先進(jìn)的太赫茲技術(shù)與專業(yè)算法，它是市場(chǎng)上第一個(gè)旨在為石墨烯、薄膜和其他2D材料提供非破壞性和非接觸式全面積表征的系統(tǒng)。

Onyx系統(tǒng)特點(diǎn)

可測(cè)面積大：從1x1mm到200x200mm (8")，可定制更大面積(m2)

適用范圍廣：可用于多種形態(tài)的石墨烯與碳納米管、旋涂光樹(shù)脂、PEDOT、GaN等其他二維材料

高分辨率快速表征：分辨率高達(dá)50um，掃描速度最高12mm2/min

多種參數(shù)：一次測(cè)量，即可得多種數(shù)據(jù)，包括電導(dǎo)率、電阻率、折射率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、介電常數(shù)ε'與ε”、吸收功率、單頻特性、厚度

Onyx系統(tǒng)通過(guò)以非破壞性和非接觸方式表征從 >1 mm2 到大面積 (m2) 樣品的特性，填補(bǔ)了宏觀和納米級(jí)工具之間的技術(shù)空白，從而促進(jìn)了材料研究領(lǐng)域的工業(yè)化。這種技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)的，不需要樣品制備，并且可以測(cè)量樣品質(zhì)量的空間分布。幾百微米量級(jí)的空間分辨率與太赫茲信號(hào)的快速采集和處理使得 Onyx 能夠快速表征大面積的樣品區(qū)域。

Onyx 符合 IEC TS 62607-6-10：2021 技術(shù)規(guī)范。IEC TS 62607-6-10：2021涉及使用太赫茲時(shí)域光譜法測(cè)量基于石墨烯的材料的薄片電阻。

太赫茲技術(shù)與傳統(tǒng)電參數(shù)測(cè)量技術(shù)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)比見(jiàn)下表：

案例分享：Onyx系統(tǒng)測(cè)量材料的電參數(shù)

Onyx系統(tǒng)已被CIEMAT、NanoGune、IHP等多個(gè)客戶用于石墨烯、光伏器件以及半導(dǎo)體晶圓等材料的電參數(shù)性能無(wú)損表征，并有推廣工業(yè)應(yīng)用的巨大潛力。

01. ITO——查看材料之間的電性能差異

02. GaN——Onyx可以發(fā)現(xiàn)GaN層與GaN棒上的差異

03. 在Si-ALD上的TiN

200 mm 尺度的橢偏和電導(dǎo)率圖的相關(guān)性：3% 的厚度均勻度與4% 的電阻率均勻度

04. ALD-ZnO 薄膜檢測(cè)

虹科Onyx 可以發(fā)現(xiàn) ALD 過(guò)程中的損失并檢查樣品的質(zhì)量

05. 更多可測(cè)量材料

因此，太赫茲Onyx系統(tǒng)能夠?yàn)椴牧峡蒲刑峁└雍?jiǎn)便、更加高效的電參數(shù)測(cè)量手段，不再需要復(fù)雜的樣品制備工作，兼顧了高速以及高分辨率的優(yōu)勢(shì)，有望助力未來(lái)的室溫超導(dǎo)的電參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證！

寫在最后

據(jù)環(huán)球網(wǎng)援引韓聯(lián)社8月3日?qǐng)?bào)道，自韓國(guó)量子能源研究所研究團(tuán)隊(duì)公開(kāi)在常溫常壓條件下制造超導(dǎo)物質(zhì)“LK-99”的論文后，韓國(guó)超導(dǎo)低溫學(xué)會(huì)經(jīng)過(guò)科學(xué)研判，認(rèn)為“LK-99”并非室溫超導(dǎo)體，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)材料沒(méi)有完全表現(xiàn)出“邁斯納現(xiàn)象”，且該韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)成員拒絕提交樣本進(jìn)行測(cè)試。目前，韓國(guó)團(tuán)隊(duì)所提出的室溫超導(dǎo)結(jié)果仍無(wú)定論。或許，未來(lái)會(huì)有更多的“室溫超導(dǎo)材料”出現(xiàn)又被證偽；或許，常壓室溫超導(dǎo)根本就不存在。但人類對(duì)超導(dǎo)的探索不會(huì)停止，這是工程學(xué)的期盼，也是科學(xué)的追求。

參考文獻(xiàn)

[1]Qiang Hou, Wei Wei, Xin Zhou, Yue Sun & Zhixiang Shi. 2023. Observation of zero resistance above 100 K in Pb10-xCux(PO4)6O[J].

[2]Hao Wu, Li Yang, Bichen Xiao & Haixin Chang. 2023.Successful growth and room temperature ambient-pressure magnetic levitation of LK-99[J].

[3]Kaizhen Guo, Yuan Li, Shuang Jia. 2023.Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples[J].

[4]Shilin Zhu, Wei Wu, Zheng Li, Jianlin Luo. 2023.First order transition in Pb10?xCux(PO4)6O (0.9

[5]中科院物理研究所.那些年的室溫超導(dǎo)疑云，后來(lái)都怎么樣了？

審核編輯 黃宇