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“室温超导”新突破引热议:曙光还是蜃景

日期: 2023-03-20
浏览次数: 11
来源:中国青年报


工业界的期望,物理界的梦想
所谓超导电性,是指材料在一定温度下电阻突然变为零的状态。这时,如果给超导体通入直流电,那么即使没有电压,超导体内的电流也不会衰减。除了零电阻性,超导体的另一个基本性质是完全抗磁性。超导体会把磁场完全排出体外,这种类似同极磁铁间斥力的作用,可以很容易地实现磁悬浮。另外,从医院用的核磁共振设备到受控核聚变的“托卡马克”,强磁场的形成也都要用到超导线圈。
室温超导一旦成真,不但输电线的直流损耗可以被完全消除,而且获得磁场的难度和成本也会大幅度降低。到时,我们去医院做相关检查会变得廉价,日常的电能损耗可以大幅衰减,甚至可控核聚变也有希望提前实现。
与工业界倾心于超导的广泛应用不同,物理学家更好奇超导本身的性质与成因。包括超导体在内的晶体材料中,有从原子到电子的许多因素会影响材料的物理性质。大多数物理现象,只由这些因素中的某几个支配,因此相对容易研究。但在超导的舞台上,几乎所有因素都是主角。它们纠缠在一起互相影响,再加上热运动造成的干扰,使得科学家们不仅难以实现室温超导,甚至几乎不可能进行精确的理论分析。
因此,室温超导及其理论成为无数物理学家的梦想。科学家对室温超导材料的追求与探索,已经持续了100年。
百年求索,五度诺奖
在超过一个世纪的时间里,专门授予超导领域的诺贝尔奖就有5次,其他与超导相关的诺贝尔物理学奖更是数不胜数。
1912年,荷兰物理学家卡末林·昂尼斯首次发现,当温度降低到4.2K(约零下269℃)时,汞的电阻突然变成了零。因为电流不会衰减,所以他把这种现象称作“超级导电”,而电阻突变的温度被称为“临界温度”。很快,在1913年,他就收获了诺贝尔物理学奖。
昂尼斯之后的40多年,科学家们逐渐发现了更多的超导材料,也陆续提出了几种超导理论。其中,巴丁(Bardeen)、库珀(Cooper)和施里弗(Schrieffer)在1957年提出的BCS理论可谓“集大成者”,能够解释当时发现的几乎全部超导现象。
他们认为,运动速度合适的两个电子会以带正电的原子核为媒介,通过库仑力联系在一起,成为一个“库珀对”。许多库珀对协同运动,就可以不受阻碍地传输电流。通过计算,BCS理论认为,常压下超导体的临界温度不会超过40K(零下233℃);而高压下临界温度则会提高。在经历了十几年的验证与等待后,1972年,3位提出者被授予诺贝尔物理学奖。
在BCS理论的指导下,物理学家们发现了更多的超导材料,但临界温度一直没有突破。直到1986年,德国和瑞士的物理学家发现一种铜氧化物陶瓷材料,该材料具有33K的超导临界温度。紧接着,美国和中国科学家在这个体系中合成出了临界温度超过77K的钇钡铜氧超导体。这不但突破了BCS理论的预言,也超出了液氮的沸点。用液氮取代液氦做制冷剂,大大降低了研究的成本。直到今天,常压超导临界温度的纪录仍是铜氧化物保持的138K(零下135℃)。
铜氧化物使超导研究迈上了一个新台阶,它不符合BCS理论的描述,被称为非传统超导体。仅用一年,最初发现它的德国和瑞士物理学界就获得了诺贝尔奖。
除了在超导材料和基础理论外,1973年诺奖授予了发现超导量子隧穿效应、引领超导电子学应用的约瑟夫森,2003年诺奖授予了提出超导磁通动力学和唯象理论的两位俄罗斯科学家。
曙光之上,仍有乌云
近些年,非常规超导的研究逐渐陷入瓶颈,科学家为了追求更高的临界温度,选择回到BCS理论,用极端高压提高超导临界温度。这次的室温超导进展也是如此。
在“三月会议”报告的第二天,迪亚斯教授在《自然》杂志发表的论文中,展示了他的具体成果。在镥-氢体系中,作者完成了不同压力下一系列物理性质的测量。配合晶体结构的建模,论文给出了一个比较完整的材料超导性证据。文章宣称1GPa下的镥-氮-氢化合物实现了21℃的超导。相比于目前在170万个大气压下获得零下58℃超导的纪录,迪亚斯教授的成果不仅临界温度实现了室温,压强也显著地降低——至少在实验室中很容易实现。
如果验证为真,这将是百年超导史上最重要的突破之一。因此,学界十分重视,产业和金融界也兴奋起来。室温超导实际应用的曙光,仿佛已经出现在地平线上。
然而,曙光之上仍有乌云。不少学者对这次室温超导的真实性持怀疑态度。
一方面,许多人并不相信迪亚斯教授的科研信誉。他曾在高压超导领域两次“乌龙”,而就在半年前,200万个大气压下的15℃超导成果,就因为过度的数据修饰被《自然》杂志撤稿。
另一方面,这次论文的数据也有蹊跷,许多数据的处理方式并不符合常规。迪亚斯教授在论文中并未说明样品合成方法,也不愿共享样品。这给其他实验组的复现造成了一定困难。在中科院物理所两个团队刚刚发布的预印本论文中,一个团队在与室温超导样品极为相似的镥-氢体系中,仅仅实现218万个大气压下71K(零下202℃)超导,与迪亚斯教授结果相去甚远;另一个团队则在另一种镥-氮-氢化合物中,没有发现高压超导的迹象。
未来,即便科学家证实了迪亚斯教授的成果,室温超导距离真正走向实用也还有相当长的距离——1万个大气压的压强,虽然在实验室中容易实现,但距离工程化应用仍然很远。实验室研究的样品,通常是在金刚石对顶砧上加压,只有几十微米大,这个尺度是难以进行电流传输的。在基础科学的意义上,高压氢化物尺度仍是1957年BCS理论框架下的产物,对新型超导材料的探索和完整的超导理论构建的帮助其实十分有限。
所以,无论这次迪亚斯教授的成果是否可靠,室温超导的科学探索和工程应用都仍旧路漫漫其修远。这次室温超导的新闻或许是探索路上一次振奋人心的进步,也可能是一段弯路、一次乌龙。在过去的100年,中国科学家没有缺席超导的探索。中科院物理所赵忠贤院士团队从1986年开始两度引领国际超导材料探索的风潮,赵院士也因此获得国家最高科技奖。目前,我国超导领域的研究已经走在世界前列。相信在未来的超导探索路上,会有越来越多的中国科学家成为探路人。



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