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疑点尚存的室温超导万一为真,就能点燃科技革命吗?

 返朴 2023-03-10 发表于北京

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火遍全网的常压室温超导尚存几大疑点,真实性有待验证。不过,即便其他实验组能够重复出来,想要产业化应用也还有诸多材料上的难关待解。虽然前景变得更加光明了,但依旧“道阻且长”。






撰文 罗会仟(中国科学院物理研究所研究员)

2023年3月8日,一则“大新闻”同时点爆了科技界和金融界的敏感神经。来自美国罗切斯特大学的迪亚斯(Ranga Dias)等人在美国物理学会三月会议上宣布发现“近常压室温超导”材料,一种由镥-氮-氢 (Lu-N-H)构成的三元化合物,在1万个大气压下(1GPa 或 10 kbar)可以实现最高温度为294 K(即21°C)的超导电性。3月9日,Nature同步上线Dias团队的论文,题目为“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride(氮掺杂镥氢化物中近常压超导电性证据)[1],同期发表科研同行的News & Views文章“Hopes raised for room-temperature superconductivity, but doubts remain (室温超导电性燃起新希望,但质疑仍然存在) [2] 。Science也同步上线了一篇评述文章“'Revolutionary’ blue crystal resurrects hope of room temperature superconductivity(革命性“蓝色晶体”重燃室温超导新希望)(图1)[3]。一时间,业界惊呼,常压室温超导有希望了!未来能源和电力技术革命即将到来!然而,惊喜之余,科研同行们却是非常冷静地看待这件事情。

图1. Ranga Dias声称发现近常压室温超导(图片来自罗切斯特大学)


Nature因何再度接收论文

的确,“室温超导”已经不再是第一次“狼来了”。而上一次关于“室温超导”的报道在2020年10月14日,Nature发表了题为“碳氢硫化物中室温超导电性”的论文,论文一共9位作者,其中通讯作者就是R. P. Dias[4]。这9位作者中,有6位和2023年这篇论文的作者重叠。那一次的“室温超导”,受到领域内诸多科学家的严重质疑,前后争议2年的时间,相关作者最终没有拿出令人信服的证据,业界没有人能够重复出他们的结果。Nature编辑部于2022年9月26日做出了撤稿决定,即便论文的9位作者都不同意撤稿。在不到半年的时间里,Nature又再次接收发表该团队的论文,令人惊呼“狼又来了吗”?而且据悉,该团队此前被撤稿的关于碳氢硫化物超导的工作,在不久之前(2023年2月)又被他们自己“重复验证”了,相关论文已经投稿[5]。关于这一次的“室温超导”是真是假,显然科研圈怀疑的声音要远大于相信的声音。


在这篇论文中,Dias团队给出了Lu-N-H化合物的多个超导证据:1. 零电阻效应,即材料到达一定温度以下电阻降到绝对的零;2.抗磁性效应,即材料进入超导状态之后,可以抵御外磁场的侵入,形成负的磁化率;3. 比热跃变,即材料在发生超导相变的时候,比热存在不连续的跃变,这是热力学二级相变的典型特征 (图2)。一般来说,有这三点证据,足以判断材料的超导电性。此外,论文还给出了材料的X射线衍射和拉曼光谱数据,并结合理论计算推测了材料的基本结构。可以说,“证据链”十分完整!论文在Nature的网页上还给出了大部分原始数据和数据处理的步骤方法,有兴趣的读者可以自行去下载验证。从这些角度来看,似乎种种暗示“狼真的来了”!

图2. Ranga Dias等人论文中给出的Lu-N-H超导电性证据:零电阻、抗磁性和比热跃变



若干疑点

但令业界十分困惑的是他的数据结论,这个材料竟然在压力30 kbar以下就已经有200 K以上的超导电性了,而且压力越低,超导临界温度Tc越高!最高的临界温度在10 kbar左右达到294 K,此后更低压力下超导温度下降到100 K以下(图3a)。更匪夷所思的是,这个材料在常压是蓝色的小晶体,加压之后会变成粉色,最后变成了红色,和传统金属氢化物超导体观测到的黑色样品完全不一样(图3b)。如此反常的温度-压力相图和奇怪的颜色变化,令人十分狐疑。而且,论文中给出的分子式里,Lu和N的比例几乎是1:1,H的含量只有3左右,这和大家熟悉的稀土氢化物含H在5和6甚至更多的情况不符。在H含量如此低的情况下,根据他们给出的材料结构,H原子的间距还很大,几乎可以排除是来自H元素本身(类似金属氢或此前发现的LaH10的超导。这些奇特的现象,令人似乎觉得“即使这个材料超导是真的,也不太像是传统的BCS超导体了。”


图3. Ranga Dias等人论文中给出的Lu-N-H超导体温度-压力相图和压力下的颜色变化

当然,业界的质疑不仅限于此,有人还对他们公布的原始数据进行了简单分析,发现他们处理数据的过程仍然过于粗糙。例如磁化率数据中出现的抗磁信号,是在一个非常大的背景信号加上一组非常杂乱的测量信号经过一定处理才得到的。甚至,如此漂亮的零电阻转变的数据,依旧是采取了“扣背景、降噪音”的方法得到的。至于背景如何选取,噪音如何“抹平”,更无从知晓。


万一实验成真的几点理论启示

当然,如果这个研究结果是真实可靠的,它至少给我们带来了一些新的启示:1.室温超导是完全可以实现的,从实验上来看,超导材料的临界温度,没有上限!2. 高压下的氢化合物超导是最有希望找到室温超导材料的,它们或许不需要诸如百万级大气压的压力才能实现,在更低的压力下也有希望;3. 如果能够进一步降低压力或者借助材料内外的化学应力来实现常压稳定的超导材料,那么所谓“常压室温超导材料”就真的实现了![6]

如果真的发现常压室温超导材料,意味着什么?


意味着科学家们追逐百余年的梦想,终于实现了!

意味着超导材料的刷新临界温度之旅,进入了一个全新的室温超导新时代!(图4)

意味着新世界的物理大门,从此敞开了!

图4. 各类超导材料发现的年代和临界温度[6]

我们尽情可以畅想,常压室温超导给我们带来更多的惊喜,未来似乎一切可期!


万一成真,就足以点燃科技革命吗?

显然,这次“近常压室温超导”事件,社会上的反响要远远比科研圈热闹许多。笔者所知的多家媒体都对该事件特别感兴趣,也有许多媒体对超导研究的科学家们展开了轰炸式的采访,令人有点不知所措。我们姑且不论这篇论文数据真实与否,单纯就论文中的发现,是否真的足以点燃未来科技革命呢?显然是“过于激动而无法展示”了。原因是:论文里提到的“近常压”(10 kbar)其实离我们熟悉的常压(1 bar,即1个大气压)还远着呢……事实上,一万个大气压,比世界上最深的马里亚纳海沟的压力,还要强上十倍!如此高的压力,如何方便规模化产业应用?更何况,高压下制备的样品量是极少的,大部分是微克、毫克量级,压力腔大的装置生产的样品也不过数克而已,面对产业应用达到吨量级的产量,就是一条无法逾越的鸿沟。

此外,科学家还有几大材料上需要面临的现实问题。

首先,常压室温超导的实现,是否意味着超导从此能够较为廉价地规模化应用呢?并非如此!限制超导材料是否能被规模化应用的瓶颈,临界温度参数只是其中一个。事实上,超导体还有临界磁场,大部分超导体还有两个临界磁场(上临界场和下临界场),一旦突破这个磁场,磁通线将会进入超导体内部,造成能量耗散,甚至完全破坏零电阻。不仅如此,超导体还具有临界电流密度,并非因为电阻为零,稍微加个电压,电流就可以无穷大。对于特定的超导材料而言,一旦电流密度超过临界值,那么它就会瞬间“失超”,即产生电阻迅速发热快速升温超导彻底消失。这三个临界参数:临界温度、临界磁场和临界电流,就像扼住了超导应用的咽喉,而且很多时候由材料本征特性所决定(图5)。所以,光有一个临界温度到达室温的超导体还不够,还得看它是不是一个具有“三高”临界参数的超导体,这一点还需要研究研究。举例来说,铜氧化物高温超导体发现已有近40年了,它们临界温度也很高,轻松达到100 K以上,甚至只需要液氮(77 K)冷却即可,但是它们规模化强电应用依旧没有完全实现,原因之一就是它的下临界场太低[7]

图5. 超导体的三个临界参数:临界温度Tc、临界磁场Hc、临界电流密度Jc[6]

其次,如果找到了“三高”的常压室温超导体,是否意味着就好用了呢?未必!因为还要看临界参数的具体行为,比如对于大部分超导体,都属于“第二类超导体”,存在上下两个临界场。特别是一些临界温度高的超导体,往往临界场还有很强的“各向异性”。你可以认为超导体是一个小薄片,当磁场垂直于薄片和平行于薄片的时候,超导的临界温度压制的效果差异几十甚至上千倍!那么,一旦磁场达到其中最低的临界场的时候,超导的完全抗磁性甚至零电阻特性就被破坏掉了。情况是如此糟糕,这意味着决定强电应用天花板的,不是参数的上限,而是参数的下限。所以,即使铜氧化物的上临界场在100甚至200多T以上,但是它在另一个方向的上临界场可以低到1T以下,而对于下临界场,甚至可以低到仅仅0.01 T以下。试想,稍微加一点磁场,还没开始用呢,磁通线就穿透进去了,它在里面的运动又很难预测,有各种丰富的组态(固态、液态、塑性态、玻璃态等),在更高磁场下,超导材料的可靠性就动摇了(图6)[8]

图6. 铜氧化物超导体的磁通相图示意图[8]

再者,如果我们找到综合临界参数都很好,而且各向异性也很小的常压室温超导材料呢?新的问题依旧存在!比如铁基超导材料,虽然它们的临界温度不如铜氧化物高,但是它们的临界磁场依旧很高,可以达到几十甚至上百T,而且在低温下几乎是各向同性的。显然,铁基超导看起来是十分合适的应用材料,更优越之处在于,铁基超导承载电流的能力在强磁场下不怎么退化,而且经受几次升降温之后,它依旧能保持良好的性能。只是遗憾的是,目前的铁基超导材料临界电流密度指标并不高,而且产能尚处于实验室应用的阶段,未来还需要进一步努力(图7)[9]。即使克服了物理因素的制约,铁基超导材料还要面临化学因素的制约——大部分铁基超导体都是含有碱金属或碱土金属的砷化物,怕空气、怕水、还有毒,一旦规模化制备,这些安全隐患需要想办法去克服。

图7. 各类超导线带材的临界电流与外磁场的关系[9]

最后,如果以上条件都克服了呢?这样的常压室温超导体,该好用了吧?也还未必!我们还以铜氧化物材料为例,假设类似材料都克服了以上困难,在铜氧化物材料中还有一个困难,那就是作为陶瓷类材料的铜氧化物十分脆弱,力学机械性能很差。因此,直接使用铜氧化物材料做线材是不现实的,很难成型不说,基本上无法在各种卷曲缠绕下仍然保持良好的载流性能。当然,几十年来,科学家做了非常多的努力。主要有两个途径:粉末套管法和基带镀膜法。前者把超导粉末套进金属管子中,然后再拉成线材,并经过热处理提高超导性能。后者借助一条薄金属基带,通过各种缓冲层和保护层,把超导材料镀上基带中间一层,基带厚度约100 μm,超导层厚度约 1 μm(图8)。最终人们发现,铜氧化物超导线带材的成本最大部分根本不是超导材料本身,而是所使用的金属套管或金属基带,加之后面还需要热处理的各类工艺,成品率并不是很好[6]。所以,如果有了常压室温超导体,我们还更希望它是一个类似具有金属延展性和韧性的材料。

图8. 铜氧化物高温超导带材的结构示意图

以上举的例子,只是关于超导的强电应用。在超导的弱电应用方面,即使实现了常压室温超导体,除了普遍的“三高”临界参数外,我们还希望它是具有阻抗性能好、相干长度大、对空气不敏感、易于进行微纳尺度加工等特点。这同样是往往很难兼顾的。

所以,在如今人们其实已经发现了数万种超导材料,临界温度在20 K以上的超导材料也有不少,但是超导强电应用方面最普遍使用的还是传统的Nb-Ti合金,其强度、韧性、可重复性都非常优越,但超导温度在9 K以下,远远低于室温!其次,还有Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等,超导温度也不超过24 K!而在超导弱电应用方面,超导量子计算机的芯片大部分用的都是铝,或者用铌,超导谐振腔里基本上用的都是纯Nb,超导的单光子探测器用NbN等,这些材料的超导温度均不超过20 K,仅有超导滤波器和太赫兹探测器等用到了高温超导薄膜。传统超导体中,人们发现MgB2的临界温度可达39 K,但是它的临界参数却低得可怜,基本上只能用于3 T以下的应用场景,而且材料的硬度太高,不适合加工成型(图9)[10]

图9. MgB2各种材料的上临界场和临界温度的关系[10]

我们可以设想,即便是有了常压室温超导材料,超导的大规模应用,虽然前景变得更加光明,但依旧“道阻且长”。也正是如此,对于超导材料的探索、超导机理的研究和应用基础的研究,需要持续不断地努力,最终才能筛选出在各种应用场景最合适的材料。对于特定的材料而言,它具有的丰富物性需要充分挖掘,世界上没有“不好用”的材料,只有你“不会用”的材料!材料探索就像在电子的海洋里钓鱼一样,钓上来的鱼奇形怪状,却各有用途(图10)[6]

图10. 材料探索就像在电子海洋里钓鱼[6]

在这一波的“室温超导”热里,希望大家保持清醒冷静的头脑,坚持理性分析的态度,最终以事实为基准判断。超导的探索在未来依旧会充满惊喜,希望大家能够保持对基础研究的关注度,多了解研究的内涵,而不是看完新闻就问“这研究有什么用?”。多读读关于超导介绍的书籍,你会有更大的收获 (图11)(全文完)
图11.《超导“小时代”——超导的前世、今生和未来》(清华大学出版社2022年版) [6]

参考文献

[1] N. Dasenbrock-Gammon et al., Nature 615, 244 (2023).
[2] C. Jin and D. Ceperley, Nature 615, 221 (2023).
[3] Science News, DOI: 10.1126/science.adh4968
[4] E. Snider et al., Nature 586, 373(2020).
[5] H. Pasan et al., arXiv: 2302.08622.
[6] 罗会仟 著,《超导“小时代”——超导的前世、今生和未来》(清华大学出版社2022).
[7] 闻海虎, 物理, 2006, 35(01): 16-26 及 35(02): 111-124.
[8] 张裕恒, 超导物理, 中国科学技术大学出版社, 2009.
[9] H. Hosono et al. Mater.Today 21, 278-302 (2018).
[10] C. Buzea, T. Yamashita, Supercond.Sci.Technol. 14, 115-146 (2001).

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