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室温超导体,科幻还是现实?
发布日期:2016-08-01 访问次数: 字号:[ ]
今年3月和6月,著名的科研论文预印本网站arXiv.org先后贴出了两篇论文,号称发现了373K的超导体和350K的超导迹象。有人对室温超导体的发现欢呼雀跃,然而科学家们反映却异常冷淡。

在科幻电影《阿凡达》里,人们为了开发潘多拉星球上的宝贵资源不惜一切代价大老远跑到外星球去,究竟挖什么宝贝呢?电影里揭秘道,它是一种地球上没有的神奇室温超导矿石。这室温超导体具有异常强大的力量,以至于依赖潘多拉星磁场就足以悬浮起含有这类矿石的一座座“哈利路亚”大山,其经济价值无可估量。

今年三月和六月,著名的科研论文预印本网站arXiv.org先后贴出了两篇论文,号称发现了373K的超导体和350K的超导迹象。从科学定义上,一般认为300K就是室温(0℃相当于273K,300K则相当于27℃)。因此,373K和350K都高于室温,这是否意味着室温超导体就此被发现了呢?对于不做超导研究的公众来说,部分是将信将疑,部分是欢呼雀跃。

然而,在国内外绝大多数超导科研者眼中,这两篇论文根本不值得一看,且不论其真假与否。换句话说,在任何超导国际会议中,没有一个人会提这茬。

为什么科学家对室温超导体的发现,会反映如此冷淡呢?

超导到底是个啥

要说室温超导是啥,先得回答什么是超导。从字面意思上,超导就是超级导电之意。

超导体导电能力有多强?在一定温度(定义为超导临界温度)之下,超导体电阻为零。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来,但是精确实验表明,超导材料的电阻率要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等要整整低了10个数量级。

这意味着,在闭合超导线圈中感应出1A的电流,需要近一千亿年才能衰减掉,比我们宇宙的年龄138亿年还要长。因此,我们有充分的理由认为超导态下电阻为零。

形成神奇的零电阻态同时,超导体还“修炼”成了另一种神奇的“金钟罩铁布衫之功”——可以把体内的所有磁力线排出外面,体内的磁感应强度也为零。超导体具有“完全抗磁性”,该效应于1933年被德国科学家沃尔特·迈斯纳发现,又被称为“迈斯纳效应”。

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料。

超导有何用

凡是用得上电的地方,都有超导的用武之地。

超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗,超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势,是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。

欧洲大型强子对撞机上的9300多个超导磁体,就是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常规磁悬浮技术相比,超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全,是未来交通工具的重要明星之一。

超导还具有许多复杂有趣的微观量子效应,利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪,对外磁场感应极其敏感,是目前世界上最灵敏的磁测量仪器。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特,是未来量子计算中最重要的量子单元,基于量子力学原理实现的高性能计算,将掀起一场新的信息革命。

超导材料阻抗性能好,利用超导体替换常规金属做微波器件,具有信噪比高、带边抑制明显、带宽控制灵活等多个优势。也许您使用的智能手机,其通讯基站就用到了超导滤波器,这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通讯、航空航天等领域大有所用。

为何要寻找室温超导材料

超导长期以来都是基础物理研究中的一个重要前沿领域。自1911年4月8日,第一个超导体——金属汞被发现存在4.2K的超导电性以来,物理学家发现了大量单质和合金超导体,但是它们的超导临界温度都很低,此后的75年间探索到的最高临界超导温度为23.2K。

如此低的超导温度意味着,实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境。这导致超导应用的成本急剧增加,维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值。寻找更高临界温度,特别是液氮温区(77K)以上的可实用化超导材料,成为材料探索的重要目标。

1986年瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35K的超导。在中美等国科学家的推动下,该记录在五年内不断刷新,于1994年左右创造了常压下135K、高压下164K的临界温度新记录。然而,铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷,缺乏柔韧性和延展性,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热,应用起来存在许多技术难度。而且,其物理性质极其复杂,难以被现有理论框架解释。寻找新型的高温超导体,势在必行。

2008年2月23日日本科学家报道了铁砷化物体系中存在26K的超导电性。在中国科学家的努力下,这类材料的超导临界温度很快就突破了40K,在块体材料中实现了55K的高温超导电性。新一代高温超导家族——铁基超导就此宣告发现。只是这类超导体大都含砷或碱金属,不仅有毒而且对空气敏感,应用方面同样存在不少局限性。

高于40K以上的超导体又被称之为高温超导体,铜氧化物和铁基超导体,是目前发现了仅有的两大高温超导家族。

尽管人们在单质金属、合金、氧化物、甚至有机物中都发现了超导电性,人们一直渴望寻找到室温下的实用超导体。关于室温超导的梦想,一直没有间断过。美国、中国、日本等国科学家都曾先后立项探索室温超导体,日本更是提出了寻找400K以上超导体的远景目标。

室温超导有可能实现吗

2016年是高温超导发现30周年,随着铁基超导、硫化氢超导等的被发现,寻找室温超导似乎已经水到渠成。新的室温超导体仿佛已经向人类发出了召唤,同时又“犹抱琵琶半遮面”。

今年3月4日,有一作者在arXiv贴出了一篇题为“373K超导体”的论文。令人奇怪的是,作者的单位就叫做“私密研究所-373K超导体”,一查才发现原来是他注册了一个公司就叫做“373K超导体”!更令人狐疑的是,通篇论文未提该“超导材料”的化学式或者合成方式;尽管都有零电阻和抗磁性的实验数据,而且这些数据“看起来特别真实”,数据质量却非常糟糕,不少所谓“磁悬浮”的图片都用来当做证据之一。在绝大多数专业从事超导研究人员看来,这不是一篇合格的学术论文。

无独有偶,6月30日,又有德国人在arXiv贴出了关于石墨晶体中存在350K超导迹象的论文。相比3月份的论文,这篇论文数据显得更为详实系统,似乎预示着室温超导的发现不远了。这次不同是,他们详细指出样品来自巴西某矿产的石墨晶体。理论上,石墨烯中是否存在室温超导电性,一直以来是争议的一个焦点之一。因为石墨烯中电子运动速度极快,甚至需要用相对论化的狄拉克方程来描述,而不是简单的薛定谔方程,那么一旦实现超导,就可能意味着很高的临界温度。细读这篇论文,就会发现结论并非那么可靠,因为所有的实验数据就没有出现真正意义上的零电阻态,完全抗磁性也没有。作者所谓的“超导证据”,只是电阻在350K存在一个轻微的下降,并会响应磁场的变化,这种可能性其实有很多,完全可以和超导没有关系。

室温超导之路,漫漫其修远兮。

期待真的有室温超导被发现的那一天。或许那时,我们可以在家里舒舒服服地躺在室温超导磁悬浮沙发上休息,也可以午饭后坐上时速3000 公里以上的真空管道超导磁悬浮列车去巴黎喂个鸽子,还可以在办公室随时弄个核磁共振成像监测身体内部的变化。

毕竟,梦想还是要有的,万一哪天被实现了呢?

稿件来源:科学大院(中科院官方科普微信号)

作者:罗会仟(中科院物理研究所)

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证实室温超导体是个难事

尽管大部分科学家都坚信室温超导体的存在,但真正要100%确认一个室温超导体,却从来不是件容易的事儿。

和实验物理学家的小心谨慎不同,理论物理学家的预言往往比较大胆。在不违反已知物理原理基础上,理论预言可能的室温超导体还是不少的,其中典型代表之一是金属氢。

令实验物理学家郁闷的是,他们不断努力改进实验装置,通过金刚石对顶压砧把压力提高到了325万个大气压,固态金属氢终于在2015年被成功实现。如此高的压力,已经接近地心内部压力(360GPa)了,这时氢分子早已被打断成了单个氢原子,但却没有发现超导电性。

十分有趣的是,包括中国的研究人员在内的科学家还从理论上预言氢的化合物H2S-H2体系在高压下可能实现191K的高温超导,将突破铜氧化物中164K的临界温度记录。同在2015年,德国科学家A.P.Drozdov等人宣称在硫化氢中发现了203K的超导电性,距离300K的室温,几乎一步之遥。只是,条件同样非常苛刻——要在200万个大气压下(200GPa)才可以。实验技术难度非常之大,要在低温状态下把极其容易爆炸的硫化氢通入金刚石压砧装置,还要能够在超高压下测量其电阻和磁化率。

论文于2014年12月1日贴到预印本网站arXiv,历经半年多后才投稿到了Nature杂志上。据说,为了避免前车之鉴,这半年时间内,Nature杂志预先请了一个专家团到德国的实验室去,要求查看所有的原始实验记录,并实地重复出实验结果。在保证零电阻结果可靠性之后,专家团还要求他们进行了完全抗磁性的测量,最终确立了200K以上超导的准确性,才允许投稿,并且花了近一个月时间审稿才被接收。后来,论文中的若干现象被日本和中国科学家重复实验证实,科学界才慢慢接受这个结果,在此之前,几乎所有人对Drozdov的学术报告反应都显得冷淡。200K超导,看上去很美,但在如此高压下却难以实用。 

信息来源: 市政府办公室,市政府部门
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