【行业聚焦】室温超导，即将颠覆半导体行业？

近日，首尔量子能源中心的材料科学团队在arXiv上连发两篇论文，宣称制造出了全球首种室温常压超导材料——LK-99，它是一种掺杂铜的铅磷灰石，具有改性铅磷灰石晶体结构。根据论文显示，LK-99在常压条件下，能够在400K(127℃)以下表现为超导体。

LK-99的出现“一石激起千层浪”，引发超导概念爆火，不同媒体平台上关于LK-99晶体试制和展示迈斯纳效应的LK-99“悬浮”的视频流量冲上巅峰。

而从材料体系来看，LK-99具有一定的抗磁性是事实，但是否是因为超导而产生的抗磁性还有待重复验证。

我们看到，各大权威机构纷纷下场辩证，业界对此主要有两种态度：

• 一种是以中科院北京凝聚态物理研究所为代表的“否认LK-99是室温超导体”的观点，他们认为LK-99的电磁特性与样品结构中的硫化亚铜相关，而非LK-99材料的特性；

  
  

• 另一种是以北科大教授陈宁为代表的支持声音，他的团队从统计学的角度出发，认为LK-99的复杂轨道耦合特性与氧化铜类似，同时具有多轨道相互作用，其整体带宽明显大于目前最大的氧化铜体系，根据整体带宽与超导临界温度的材料相关性定律，可以得出LK-99的电子结构可以支持实现室温超导。

专家们众说纷纭，虽以锤者居多，但并不能降低社会各界对超导体关注的热情，因为一旦室温超导真的能够实现，就意味着我们这代人可能会见证第四次工业革命的到来。

人们对超导的研究已经持续了一个多世纪，中国从上世纪六七十年代开始涉足超导的研究，在某些领域上已经实现了“从0到1”的突破，达到了世界领先水平。比如，今年7月12日，《Nature》杂志就刊登了中山大学王猛教授团队主导的科学成果——首次发现液氮温区镍氧化物超导体，这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料。

除了学术上的持续突破以外，我们还可以看到超导因其拥有完全电导性、完全抗磁性和通量量子化三大特性，在应用端也是“全面开花”，涵盖电子学、生物医学、科学工程、交通运输、电力、能源、量子计算等领域。

根据欧洲超导行业协会Conectus发布的数据显示，全球超导产品市场规模已经从2012年的51.9亿欧元，增长到了2022年的68亿欧元。

从场景落地的角度来看，2002年，由中国铁建承建的世界首条磁浮运营线——上海磁浮列车示范运营线通车运营；2004年，中国第一组超导电缆系统正式并网，成为全球第三个将超导电缆投入电网运行的国家；2013年，国内首套30米、35千伏低温绝缘高温超导电缆挂网运行，实现了中国在实用低温绝缘高温超导电缆技术中的突破；2021年，世界首台高温超导高速磁浮工程化样车在成都下线，设计时速620千米。

放眼未来，我们看到在生物医药领域，中国MRI设备市场保有量将持续增长，3.0T MRI设备的占比将进一步提高，而超导磁体作为MRI设备中产生主磁场的核心部件, 在1.5T磁共振成本中占比30%~40%，在3.0T磁共振成本中占比50%~60%，这一变化将带动低温导线需求的释放。

在大科学装置领域，由于新一代环形正负电子对撞机CEPC和超级质子对撞机SPPC对磁场水平的需求已经增长至15T~20T，将带来高性能低温和高温超导材料近20000吨的需求。

在能源领域，以超导体为核心的新型电磁感应加热设备在吨料耗电方面，较传统加热方式可节约120kWh。今年4月，由联创超导自主研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热装置已经在黑龙江投入使用。

在量子计算领域，通过约瑟夫森结的应用，科学家们发现可以构造出稳定编码0态和1态的量子比特，包括目前主流的“磁通比特”和“Transmon比特”。相比传统的量子计算机方案，超导量子计算具有操纵性强等特点。

综上，超导材料的应用潜力非常巨大，但同样面临着多重限制，主要表现在临界温度、临界磁场和临界电流密度这三个临界参数方面。简而言之就是，超导体的超导电性必须在足够低的温度（低温超导通常是液氦沸点以下，即-269°C；高温超导通常是液氮沸点以下，即-196°C）、不太高的磁场和不太大的电流密度下才能实现，除了费用高昂的制冷成本外，超导体一旦临界参数被突破，有可能瞬间从零电阻变成有电阻的状态，从而失去超导性能。因此，虽然业界已经发现了上千种超导材料，但具有实用化前景的材料并不多。

而近期报道的常压室温超导大大降低了临界参数的门槛，如果未来真的能够实现室温超导，产生颠覆性影响。

南京大学高性能计算中心专家对此表示：“常压室温超导是目前最具有商用价值前景的超导体，它将显著提升芯片的计算性能，促进量子计算、超导逻辑电路等发展，为计算机、手机等提供更高的电流密度和更低的能耗，从而为消费电子、能源、工业电子、人工智能等产业带来巨大的变革。”

鉴于此，有人发出了疑问：“常压室温超导的出现，是否会对半导体产业产生颠覆性的影响？”

超导的基本原理前面已经有详细的介绍，而半导体是指在特定条件下，材料的电子能带结构发生变化，从而带动电阻率的变化。两者之间并非对立的关系，甚至可以结合研究、使用，形成室温超导半导体材料，具备超导和半导体的双重特性。

从电子结构方面来看，室温超导半导体的基础是在超导材料中引入空穴，使其电子和空穴形成一种类似于库珀对的结构，产生超导电流，同时由于空穴的引入并不会改变材料的电子能带结构，因此可以保留超导材料中的半导体特性。

从晶体结构方面来看，室温超导半导体的基础是在超导材料中引入缺陷，形成一种非晶态结构，促使材料中的电子和空穴具有更高的自由度，产生更强的超导电流，同时由于缺陷的引入并不会改变材料的晶体结构，因此可以保留超导材料中的半导体特性。

我们看到，今天的量子芯片生产线实际上也是参考传统半导体芯片生产线来建立的，包括设备、工艺流程等，用于制造量子比特和其他组件。而英特尔和IBM已经在量子芯片的量产方面取得了显著进展，这说明在实践层面，超导和半导体的结合是可行的。

当前，室温超导半导体是材料学领域研究的热点之一。不过，即使未来超导得到大规模的应用，也只会变革当前半导体格局下的应用方式，不会变革其原理根基，两者是相辅相成的关系，并非谁替代谁。而从半导体时代到超导体时代的变迁，一定会经历从实验室到生产线的漫长跨越。

回到文首提到的超导事件，韩国论文作者坦言LK-99有缺陷，并亲自要求下架论文，说明LK-99是室温超导的结论还不能下定。但是通过材料的创新来实现室温超导是否存在可能？还得让子弹再飞一会儿，没准未来就能出现“阿凡达的神秘悬浮大山”。

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