历经三载风雨:“室温超导”背后的故事

qju 发表于 2023/08/02 11:44 一品 百草园 (www.ywpw.com)

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是否真是划时代的发现尚无定论,但至少当事人不觉得是造假。

高丽大学化学系的创始人叫崔东植,是一个非常有个人魅力的教授。他在1994年提出了一种离经叛道的理论,叫ISB理论(Inter Atomic Superconducting Band,原子间超导带理论)。他破天荒地认为,通过一种无机的一维高分子链,可以实现超导。但这和主流的BCS超导理论大相径庭,并没有引起太多关注,也没有在科学界掀起丝毫的浪花。全世界只有他自己的研究生李石培默默写过一篇相关的硕士论文——《基于ISB理论的超导性解释》(Explanation of Superconductivity by the ISB Theory),之后,这一理论便无人问津。这就是为什么LK-99在1999年被偶然发现存在异常磁信号,但因复现困难,仍有崔东植的弟子想起崔东植的临终交待,继续钻研的原因。

1996年,崔东植从众多弟子中一眼相中了金智勋,劝他放弃手上的电池材料研究,来自己的超导团队进行化学合成,顺便读个博士学位。但三年过去,一无所获。1999年,就在金智勋即将放弃的时候,他在一个铅磷灰石的样品上发现了异样——实验数据的图表上有一个微弱的波动——看起来似乎由超导引发。他在激动中不断重复实验,最后在几十个样本中发现有两个样本可以重复这个现象。但可惜的是,这个类似超导的数据就像幽灵一般,太模糊,太微妙,难以捕捉而缺乏说服力。金智勋在一番尝试后,始终难以放大这个信号,终于有些灰心。他预感到,如果再这么继续下去,博士可能是死路一条。于是,无论导师崔东植如何劝说,金智勋还是决心放弃超导,回到了电池材料的老本行研究。四年后,金智勋以电池材料的研究课题完成了博士学位,开始在一家供应助听器电池的小公司踏踏实实地上班。失去了心灵手巧的金智勋,崔东植就像失去了左膀右臂,他只能将所有希望寄托于还没毕业的李石培,希望他能坚持研究。

好在李石培踏实而耐心,他和导师二人不断修订ISB理论,不断缩小超导体配方的搜索范围。但无论他俩如何努力,也难以像金智勋那样得心应手。经过9年的时间,李石培在金智勋的研究基础上,终于完成了超导体的合成论文,于2008年拿到了博士学位。但这一天来得太晚了,李石培在9年的博士生涯中磨灭了科研的兴趣,毕业后在一所私立高校担任老师,转行教学生计算机。

崔东植的一维超导理论研究陷入了低谷——他曾经寄予厚望的两个弟子:金智勋在电池公司打工,李石培则在大学里混日子。

但此二人并未忘记1999年发现的幽灵。2008年,金智勋和李石培一边在各自单位上班,一边又鬼使神差地继续了研究事业。他们注册了一个名为Qcenter(量子中心)的“皮包”公司。这个公司有一搭没一搭地做一些咨询业务,偶尔做一些实验——金智勋和李石培回归了现实生活,超导仿佛只是一种业余爱好,像一个青年时代的梦。1999年的发现像是一个机器中的幽灵,自惊魂一瞥后便消失得无影无踪。

十年,弹指一挥间,二人从青年步入了中年。2017年,导师崔东植教授忽然病重,弥留之际,特意召唤金智勋和李石培见面。二人看着病榻上的恩师,往事涌上心头。临终前,导师叮嘱二人,一定要找到1999年出现的那个幽灵:“拜托了,继续研究下去。但是在完美实现之前,不要让世界看到它。”在老先生的心中,也许室温超导就像一朵白莲花,容不得半点瑕疵和虚假。5月份,崔东植教授撒手人寰。

李石培决意继承导师的遗志,开始重新筹建实验室,继续研究。但现实很残酷。他和金智勋简单算了一下,研究需要一台电子自旋共振谱仪(ESR,Electron spin resonance),用来检测检测物质中不成对电子的特性,还需要一台超导量子干涉仪(SQUID,superconducting quantum interference device),用来测量微弱的磁通量变化。但这些仪器都非常昂贵,显然无法由个人承担。而且,现在大家有了家室,也不能像学生时代那样无所顾忌,要想全职进行超导研究,就只能对外筹集资金。

但筹钱何其难哉!起先,在导师老友吴根浩教授的帮助下,他们向韩国国家科学基金会提交了一份申请。但基金会的专家看到这十年之间二人没有发表过一篇论文,于是十分果断地拒绝了。但李石培并不死心,又向权英完教授抛出了橄榄枝。权英完是高丽大学的终身教授,信誉良好,成果斐然,而且有ESR和SQUID仪器的使用权。当然,权英完觉得这对搭档有些业余,不过,他想到自己不用承担太多责任,如果能获得资助,何乐而不为呢?于是,2017年底,权英完入职Qcenter,在大学工作后偶尔过来。

实验室在权英完的加持下获得了资助。2017年底,Qcenter购买了一台 ESR设备;2018 年初,金智勋全职加入团队。有了金智勋的全情投入,还有权英完教授的加持,这个小小的团队简直成了超导研究的韩国梦之队!

但令人始料不及的是,金智勋和权英完并不和谐,二人摩擦不断。

权英完是一个学院派物理学家,他不满足于简单的实验现象和数据罗列,认为研究的目的是发现超导现象背后的本质理论。而金智勋是一个实干主义的实验派,他关注 ESR上发现的数据和信号,相信只有明白无误、无可辩驳的事实才是科学的真谛。

真所谓——道不同,不相与谋也。而李石培意识到,在过去的20年里,只有金智勋是唯一那个曾经接近超导鬼魂的人。离开金智勋,他们将一无所成。于是,李石培开始充当和事佬,他在两人之间斡旋。实验又开始磕磕绊绊地推进了。

2018年初,金智勋很快便重现了1999年发现的痕量超导现象。这一次,他卯足了精神,决心不再让这个鬼魂在眼皮底下溜走。他不断打磨实验,不断放大这个倏忽即逝的信号。但这个信号太微弱了。它是什么?它看似是图表上的一个微微抖动,但却是某个真实发生的神秘事件在现实中的隐约回声。金智勋就像是宇宙中的马可波罗一样,蒙着眼睛,在未知的大海中探索新的疆域。无数次的实验里,他一遍又一遍地呼喊,一次又一次地倾听ESR的回应。数据时好时坏,他距离真相时远时近。

时间一天一天地过去了。此时的金智勋在理论指导下,发明了一种全新的方法来筛选和搜索。但材料的排列组合如同茫茫大海,找到室温超导体如同大海捞针。理论也只能止步于此。

2020年,新冠席卷全球,实验室因疫情而封锁,大家如同被囚禁在大海上的孤岛上一般,与外界失去了联系。在封锁期间的一个早晨,金智勋在图表上看到了一个巨大的峰!他为之一振——这是幽灵的影子第一次被确切地记录!他不断测试。但奇怪的是,用同样的材料,在同样的环境下,他却怎么也无法重复这个结果。宇宙仿佛开了一个玩笑。这怎么可能?金智勋不断翻看实验笔记,精确重复这次异常测试的方法,但没有发现任何结果。不过,金智勋有个好习惯,他在每个样品进入熔炉之前和之后,都会进行拍摄记录。他检查了实验室的录像——功夫不负苦心人,他终于发现了异常的蛛丝马迹——出炉的石英管中,有一个出现了一道裂纹。金智勋疑惑,难道,这就是召唤幽灵的咒语?他仔细查看视频,发现自己在将试管从炉子拿出转移到秤上时,手肘不小心撞到了桌子,微微磕碎了试管。

此时,金光再现,醍醐灌顶。金智勋意识到,在铅磷灰石结晶过程中的某个微妙时刻,需要引入氧气来改变正在形成的晶体结构!这才是重复实验的关键!至此之后,实验进展飞速。

三个月后,Qcenter经过1000多次实验,终于捉住了这个困扰团队 20 年之久的幽灵,成功将其封印在结晶里。现在,你可以把它握在手里,它可以在磁场中半悬浮,如同一块魔法石。

LK-99的抗磁性表现李石培欣喜若狂。李石培和金智勋从各自的姓中取出一个字母,用LK-99来命名这种新材料,以纪念1999年发现的痕量超导。

LK-99化学结构示意权英完惊呆了。他如梦方醒,开始试图从物理角度进行理论分析。他一开始就不相信崔东植的超导理论,不相信一维超导理论能够解释实验现象。权英完明白,现在自己比其他所有科学家都领先一步,如果他能最先弄清楚背后原理,诺贝尔奖也将有他一份。这导致他和团队中的其他成员发生了直接冲突。此时,成果亟待发表,而团队分裂。新的困扰又出现在面前。Qcenter没有足够的资金和设备进行更加全面的测量。这种超导材料变成普通材料的临界温度非常之高,甚至超出了普通设备的测量范围!

终于,2020年,团队克服各种困难,完成了一篇论文投给《自然》杂志,希望能够获得编辑青睐。但不幸地是,稿件很快就被拒稿——这个投稿时机不是太好,罗彻斯特大学的Ranga Dias刚刚被揭穿室温超导作弊。而权英完则认为,拒稿的原因是因为文中崔东植的一维超导理论不够完备。

在一番讨论后,大家认为,论文必须要有更权威的教授参与才能发表。而恰好此时,美国威廉与玛丽学院的金铉卓发表了一篇超导论文,于是,大家本着都是韩国人的缘分,开始尝试联系金铉卓教授。而金教授表现出一个主流科学家的正常反应,委婉地邀请他们到美国进行实验。李石培当然明白,这意味着只有把LK-99确切地展示在金铉卓眼前,他才会被说服和打动。但疫情的封锁,让任何跨国的交流都举步维艰。

团队只好放弃幻想,开始申请专利,写新的论文。疫情大大拖缓了Qcenter的进度。李石培让团队专注于后续研究,比如LK-99的气相沉积制备,后期如果大规模应用,在电子生产的流水线上必须完成这一步骤。权英完则在 2021年底向大学申请了休假,全力专注于理论研究。

Qcenter并没有完美的理论来解释LK-99为什么会起作用——整个实验过程非常苛刻。实验粉末必须用研钵和研杵均匀混合,颗粒必须完全均匀。如果购买了预先混合的粉末,或者没有使用研钵和研杵,甚至从炉子移动到冷却站的速度太慢,都将会导致结晶失败。(这也许是最近全世界的实验室都未能复现结果的原因)而此时,全世界只有一个人,偶尔可以在石英管离开熔炉的某个玄妙时刻,通过快速打破试管来制造这种神奇的浮石。这个人就是金智勋。

时间流逝,韩国的疫情管控开始松动。美国的金铉卓教授飞越大洋,终于见到了传说中的LK-99,他立刻被这种神奇的材料打动了。超导研究在此刻终于迎来了重大的转机。在金智勋的帮助下,金铉卓开始能够在美国独立复制LK-99。这种材料的产量很低,大约10次制备才有一次偶然的成功。

后续如果要充分研究这种物质,Qcenter还需要更大的资金投入。但金铉卓的加入,也让团队结构发生了变化——权英完被边缘化,分工变得不太重要——只是负责SQUID的测量。2023年3月,在一次激烈冲突后,权英完被Qcenter解雇。

诺贝尔奖最多只能有三个人分享,而李石培和金智勋必然占据两个名额,权英完知道,金铉卓和自己只能有一人上榜,他获得诺贝尔奖的希望变得十分渺茫。

7月22日早上7点,权英完在arXiv上抢先发布了第一篇论文。虽然此时LK-99的研究并不完善,过早发表论文并不明智,权英完应该是试图作最后一搏。

很快,我们看到,金铉卓在两个半小时后发表了一篇数据更为详实的论文——当然,这篇论文里没有权英完的名字。

至此,一场科学界的宫斗大戏,徐徐拉开了帷幕。

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