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高温超导发展历程

2019-05-19  时史君

刷朋友圈看到一篇文章,题目是《人类逼近物理圣杯,-23℃超导》,我吓了一跳,这可不是个小事。

德国马普所的Eremets等人在氢化镧体系中实现了250K也就是零下23摄氏度的超导,这个远超之前世界纪录的临界温度显示,光从临界温度上来看,人类马上就要接近室温超导了。但是这么高的超导临界温度只能在极高的压强下出现,到底有多高呢?文中说是170GPa,也就是1.7乘以十的十一次方帕斯卡,大致相当于地球核心压强的一半儿。

这就没意思了。一个只能在巨大压强下出现的室温超导是没法应用的,因为高压装置和低温装置一样,也不是那么容易制造的。德国科学家用于制造超高压的装置是金刚石对顶砧,只能用蚂蚁屁股那么大的样品,就连对其超导性的测试表征都费老鼻子劲了,还谈什么应用啊。

所以我觉着,对于室温超导这个物理圣杯的描述还得再细致一下,最好定义为常压室温超导,只能在超高压下出现的室温超导虽然也很牛逼,但实用价值就要大打折扣了。

既然说到这儿了,那就简单介绍一下超导的故事。

超导是指材料的电导率非常高,也就是说电阻为零,它一般在低温下才会出现。

现在广泛使用的导体,比如我们用来输电的电线,都有一定的电阻,电流流过导体的时候,都会有损耗,电能会变成热量浪费掉。而超导能够让远距离输电没有损耗,全世界电网都可以连在一起,彻底破解能源分布不均衡的问题。超导材料制作成线圈,通上电流之后就可以制造强磁场,用于核磁共振人体健康检查,还能用于约束等离子体制造可控核聚变。

超导现象自被发现以来,就是物理学界的热门研究领域。首先是因为它理论意义很大,是凝聚态物理和量子物理交叉的前沿课题,隐含着物质结构深层次的物理规律。其次是它有巨大的实用价值。

接下来我们来看看超导现象的发现和发展历程。

1911年,科学家突破了低温技术,把氦气给液化了。握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯发现在4K左右,汞的电阻消失了,因此发现了超导现象。他因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

1957年,BardeenCopper Schrieffer 提出著名的 BCS 理论,解释了低温超导现象,因此荣获1972年诺贝尔物理学奖。理论预言低温超导体的临界温度不能超过40K,这被称为麦克米兰极限。

目前比较实用的金属型低温超导材料是铌合金,临界温度为9K多,-264℃,需要用液氦冷却,因而维护成本很高,但好处是金属材料易于加工,可以容忍很强的磁场。中科院合肥那个全超导托卡马克聚变装置-EAST巨大的磁体就是用这种材料做的,很多核磁共振用的磁体也是这种。

1986Bednorz Muller成功合成钙钛矿结构的镧钡铜氧化合物,临界转变温度高达35K,这种材料的超导机制与低温超导完全不同,因而被称为高温超导。1987年,他们获得诺贝尔物理学奖。

这个成果引爆了超导研究的热潮,因为这个材料太容易做了,有个马弗炉就能烧,把材料中的元素换一换就能发现一个新的超导体系。那段时间,几乎全世界的材料实验室都在烧炉子,中国也很是热闹了一阵子。很快美国华人物理学家朱经武和中科院物理所赵忠贤的团队将钇钡铜氧高温超导的临界转变温度提升到100K以上,77K的液氮温区被突破了,从此人们可以用液氮来制造超导了。液氮可比液氦便宜多了,超导的维护成本大幅下降。但是因为高温超导材料都是陶瓷,不容易加工成复杂的形状,液氮用起来也很麻烦。

目前,用高温超导材料做电缆仍然存在一定困难,长度短一点还行,长了就有问题。另外,它在强磁场中会失去超导性,因而也没法做强磁场的磁体。但是在一些磁场较弱的场景中还是有很多应用,比如微波电子器件等等。

随后,提高临界温度的努力一直在继续,铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K,钛钡钙铜氧系达到了138K。下一个目标将是195K,这是干冰的升华点,如果超导材料的临界温度能超过这个点,那以后就可以用更加便宜的干冰制冷来实现超导了。

高温超导的理论解释到现在都没有彻底完成,GinsburgLandau给出了一个阶段性的成果,并因此获得了2003年诺贝尔奖。

这中间有段时间超导研究陷入低谷,理论迟迟没有突破,也没有新的材料体系出现。只有2001年,日本科学家报道了二硼化镁这种简单的材料在39K,非常接近低温超导麦克米兰极限的地方实现了超导。

2008年超导又火了一把,这把火是日本人点的,却是中国人烧旺的,就是铁基超导体。2008年日本Hosono小组报道了层状结构LaFeAsO体系26K的超导电性,中国科学家迅速反应,久违的炉子又烧了起来。赵忠贤、王楠林、陈仙辉等合成了一系列铁基化合物,其超导临界温度突破了麦克米兰极限,达到55K,说明这个体系是一类高温超导体。这个成果获得了2013年国家自然科学一等奖,曾经被认为有冲击诺贝尔奖的可能。

此外还有一些有意思的超导材料体系,比如掺杂金属原子的富勒烯或者使用了放射性元素的重费米子超导体,这些体系临界温度不高,就不展开说了。

与此同时,在材料体系的创新上陷入困境以后,研究者将目光投向了另一个环境变量,压强。很早人们就发现,提高压强可以提高超导材料的临界温度。朱经武在高压下把汞钡钙铜氧系的临界温度提高到了164K,是当时的最高纪录。2014年吉林大学崔田教授通过计算预测在200 GPa高压下,硫化氢的超导临界温度在191K 204K 之间。这个结果迅速吸引了国际超导研究者的瞩目。年底,德国马普所的Eremets通过实验证实了这个预测,他们获得了临界温度为190K的硫化氢,一年后,临界温度被提高到了203K,干冰温区突破了。当然,前面说了,这个结果是在高压下产生的,实用价值不大,但还是非常振奋人心。

另一个被预言具有神奇超导性的材料是金属氢。理论预测氢气在极高的压强下可能变成类似金属的导体,也就是金属氢,它除了是一种高能炸药之外,还极有可能是一种室温超导体。这就是为什么人们对它趋之若鹜的原因。2017年,Science杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金属氢,造成很大轰动。然而一个月后他们宣称,由于操作失误,这块地球上唯一的金属氢样本消失了。而且他们再也没有重复出之前的实验结果,别人也没能重复出来。

2018年,MIT麻省理工学院博士,21岁的曹原一天之内在NATURE杂志上连续发表两篇文章,论述了双层石墨烯在重叠角度为1.1°时,会产生超导现象。虽然其临界温度只有1.7K,但这是首次发现超导行为与结构如此特别的对应关系,这一发现开辟了超导物理乃至凝聚态物理研究的新方向,无数学者正在跟进。这个成果是2018年十大科研进展之一。

2018年的7月末,论文预印本网站arXiv上出现了一篇石破天惊的文章,题目翻译成中文是《室温和常压下超导体存在的证据》,作者是印度科学院Pandey教授。一看这文章名字,这才是堪称物理圣杯的成果啊!文章描述了一种金银复合纳米粒子在230~240K时产生了超导电性,同时说,如果材料更纯,制备更仔细一点,临界温度可以达到室温。这篇文章引起了巨大的反响,但同时也受到了不少质疑,有人发现文章配图中两条不同的曲线出现了同样的误差规律,这表示存在很大的伪造数据的可能。我把新闻发给一位做纳米材料的教授,询问他的看法,人家表示印度人的文章还是先打个问号。当然这一切还没有定论,文章投了NATURE,截至目前,尚未通过审核。

最后就是今天看到的这个成果了,德国马普所的Eremets等人再接再厉,在氢化镧体系中实现了250K的临界温度,但是同时需要极高的压强。

可见,科学家们一直没有放弃突破室温超导的努力。如果能够在常压室温下实现超导,那就会彻底改变人类的未来。我们将拥有全球联网无损耗的电网系统,有小巧的电动机、发电机,更加便宜方便的核磁共振诊疗服务,还有可能更快实现可控核聚变能源应用。

这才是所谓的物理圣杯——室温超导,也许我们真的会有看到它实现的那一天。

(这里得说一个梗,在超导界,室温比高温的温度要高。)

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