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每日視點(diǎn)!21℃的室溫超導(dǎo)真要來(lái)了?中科院物理所發(fā)文:讓子彈再飛一會(huì)兒 2023-03-09 16:45:24  來(lái)源:澎湃新聞

提問(wèn),2022年3月8日是什么日子?

答:婦女節(jié)


【資料圖】

然后呢?

然后……

然后這一天還是美國(guó)物理學(xué)會(huì)的三月會(huì)議中的一天,可不要小看這一天,看似平平無(wú)奇的一天,卻爆出來(lái)可能會(huì)改變世界,改變?nèi)祟惖奈锢韺W(xué)進(jìn)展。

羅徹斯特大學(xué)的Dias團(tuán)隊(duì)宣稱,他們發(fā)現(xiàn)了近常壓的室溫超導(dǎo)體,該超導(dǎo)體是由氫、氮、镥三種元素組成的三元相,該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,其在大約10kbar(也就是1GPa,約相當(dāng)于1萬(wàn)個(gè)大氣壓)下可以實(shí)現(xiàn)約294K(也就是約21℃)的室溫超導(dǎo)電性。

這時(shí),就有人要問(wèn)了,超導(dǎo)是個(gè)啥,發(fā)現(xiàn)個(gè)室溫超導(dǎo)為啥這么激動(dòng)?

01

超導(dǎo)及其應(yīng)用價(jià)值

超導(dǎo)態(tài)是材料的一種特殊狀態(tài),在超導(dǎo)態(tài)中,材料處于零電阻的狀態(tài)中,初中二年級(jí)的物理告訴我們,電阻是材料普遍具有的性質(zhì),當(dāng)電流流經(jīng)材料時(shí),其內(nèi)部的晶格、雜質(zhì)等會(huì)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙,載流子本身攜帶的能量會(huì)被轉(zhuǎn)移到晶格上,宏觀上造成焦耳熱,電勢(shì)也會(huì)相應(yīng)下降。

而沒(méi)有電阻的超導(dǎo)體就完全沒(méi)有上述問(wèn)題,電流流經(jīng)超導(dǎo)體,既不會(huì)發(fā)熱,也不會(huì)出現(xiàn)壓降,因此電流可以無(wú)衰減地在超導(dǎo)體中流動(dòng)。

很明顯,超導(dǎo)體的意義是顯而易見(jiàn)的,如果我們的電線都采用超導(dǎo)體,那就不會(huì)存在能量衰減。我們現(xiàn)階段使用的特高壓輸電技術(shù),其實(shí)就是提高輸電線的電壓,來(lái)盡可能降低能量損耗,可如果使用了超導(dǎo)電線,將完全不存在這個(gè)問(wèn)題,將徹底改寫(xiě)整個(gè)行業(yè),我們可以直接以市電電壓傳輸電力,完全不需要變電站,我們或許可以直接使用直流電。

但是,由于超導(dǎo)Tc(超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,指超導(dǎo)體由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度)的限制,這一設(shè)想完全無(wú)法實(shí)現(xiàn),我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的絕大部分超導(dǎo)體Tc都在77K(-196℃)以下,這是液氮的沸點(diǎn),Tc在這之下的超導(dǎo)體大部分時(shí)候是使用更加昂貴的液氦制冷來(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài),只有少部分銅基超導(dǎo)體Tc達(dá)到了77K之上,可以使用液氮制冷來(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。

即便如此,超導(dǎo)體在我們?nèi)粘I钪幸呀?jīng)有了應(yīng)用,醫(yī)院的核磁共振便采用了超導(dǎo)體,這就涉及了超導(dǎo)體的另一重大應(yīng)用方向,即產(chǎn)生大磁場(chǎng)。

當(dāng)我們需要一個(gè)很大的磁場(chǎng)時(shí),我們首先想到的是什么?磁鐵?不不不,永磁體的磁場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們的要求,再回想一下初中二年級(jí)的物理知識(shí),沒(méi)錯(cuò),通電螺線管??!利用電流,我們也可以得到磁場(chǎng),更令人振奮的是,磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比,也就是說(shuō),電流越大,磁場(chǎng)越強(qiáng)。

但大電流就會(huì)遇到上文提到的兩個(gè)問(wèn)題,焦耳熱與壓降,大電流會(huì)產(chǎn)熱,更令人絕望的是焦耳熱與電流的平方成正比,因此,電流每增加一分,磁場(chǎng)就會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)一分,但產(chǎn)熱會(huì)按平方增加,最終絕大多數(shù)能量都將轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

目前發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體 | 圖源自wiki

焦耳熱的來(lái)源是電阻,只要沒(méi)有電阻,就可以完全不考慮焦耳熱的影響,因此超導(dǎo)體在這里的意義就顯而易見(jiàn)了,我們?nèi)绻贸瑢?dǎo)體線材制作線圈,就可以幾乎無(wú)節(jié)制(磁場(chǎng)也可以抑制超導(dǎo)態(tài),這里需要注意產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能超過(guò)超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng))地提升線圈內(nèi)的電流強(qiáng)度,進(jìn)而獲得強(qiáng)大的磁場(chǎng)。這就是核磁共振中強(qiáng)大磁性的來(lái)源。

除了以上場(chǎng)景,利用兩個(gè)不同超導(dǎo)體做成的約瑟夫森結(jié)也有重要應(yīng)用價(jià)值,我們可以利用它制作SQUID,這個(gè)裝置是目前最精確的磁場(chǎng)探測(cè)裝置,在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)中也有重要應(yīng)用。

看到這里,你應(yīng)該對(duì)室溫超導(dǎo)的意義有一定認(rèn)知了,如果我們真的可以發(fā)現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo),那將使整個(gè)人類社會(huì)產(chǎn)生重大改變,我們現(xiàn)有的科技可能面臨顛覆,能源問(wèn)題得到重大緩解,對(duì)整個(gè)人類都具有重大進(jìn)步意義。

我們還是簡(jiǎn)單介紹一下超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歷程及其輸運(yùn)性質(zhì),這有利于我們理解Dias的工作。

02

超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)理

1911年,昂內(nèi)斯改進(jìn)了制冷設(shè)備,率先將溫度降至液氦沸點(diǎn)之下,在此期間,他發(fā)現(xiàn)汞的電阻在4.2K時(shí)突然降為零,經(jīng)過(guò)再三確認(rèn),他最終確定,這不是實(shí)驗(yàn)上的失誤或誤差,這是汞本征的性質(zhì),由此,他打開(kāi)了超導(dǎo)的大門(mén),汞也是我們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)超導(dǎo)體,Tc為4.2K。

實(shí)際上很多材料都具有超導(dǎo)電性 | 圖源自wiki

昂內(nèi)斯僅僅測(cè)量的汞的電阻,這揭示了超導(dǎo)體在電輸運(yùn)上的特征,也就是零電阻。

昂內(nèi)斯(右一) | 圖源自Wiki

后來(lái),1933年,邁斯納在對(duì)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的錫或鉛金屬球做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后,其內(nèi)部的磁場(chǎng)會(huì)迅速被排出體外,磁場(chǎng)只在超導(dǎo)體外部存在,超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全抗磁性,這就是邁斯納效應(yīng)。

后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)體可以進(jìn)一步劃分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體,第一類超導(dǎo)體展現(xiàn)出完全的抗磁效應(yīng),內(nèi)部完全沒(méi)有磁場(chǎng)。而第二類超導(dǎo)體則允許磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生磁通量子,也就是允許磁場(chǎng)部分地進(jìn)入超導(dǎo)體。

以上對(duì)超導(dǎo)體的研究更多地還停留在對(duì)其性質(zhì)探究,我們實(shí)際上也一直在尋找超導(dǎo)的內(nèi)在機(jī)理,探索其本質(zhì)。

最開(kāi)始的嘗試是倫敦方程,不過(guò)這個(gè)理論無(wú)法揭示穿透深度與外磁場(chǎng)的關(guān)系。1950年左右,前蘇聯(lián)科學(xué)家金茲堡和朗道提出了解釋超導(dǎo)的唯象理論——金茲堡-朗道理論(G-L理論)。該理論建立在朗道二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上,用序參量描述超導(dǎo)體。該理論成功解釋了超導(dǎo)體,上文提到的第一類超導(dǎo)體與第二類超導(dǎo)體就是根據(jù)G-L方程求解的界面能的正負(fù)判定的。

根據(jù)G-L理論,超導(dǎo)體從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)二級(jí)相變,因此,理論上我們可以在比熱的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)其在Tc處有一個(gè)躍變,或者叫一個(gè)峰。后來(lái)這也在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)。

理想超導(dǎo)體的電與比熱性質(zhì) | 圖源自wiki

看到這里,你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了,超導(dǎo)的文章特別好寫(xiě),測(cè)一下電阻,測(cè)一下磁化率,如果可以的話,再測(cè)一下比熱,比熱即便測(cè)不了也不是什么大事,搞完這些就齊活了。

最后還要簡(jiǎn)單提一下,我們目前解釋超導(dǎo)的最好的理論就是BCS理論,這個(gè)理論的核心就是電子在與晶格的耦合中會(huì)出現(xiàn)電子吸引電子的可能,這樣兩個(gè)電子會(huì)結(jié)成庫(kù)珀對(duì),結(jié)成庫(kù)珀對(duì)的電子可以看作玻色子,在低溫下,發(fā)生“凝聚”,能量可以無(wú)耗散地在凝聚的庫(kù)珀對(duì)中流動(dòng),實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。

但BCS理論也不能解釋所有超導(dǎo)態(tài),我們根據(jù)BCS理論計(jì)算得到麥克米蘭極限,即符合BCS理論的超導(dǎo)體Tc不會(huì)超過(guò)40K,但實(shí)際上很多超導(dǎo)體都突破了這一極限,比如銅基超導(dǎo)和鐵基超導(dǎo),這樣的超導(dǎo)體被稱為高溫超導(dǎo)體,也就是說(shuō)相對(duì)于之前20 K以下的超導(dǎo)體,Tc高了很多。

本來(lái)還想介紹一下實(shí)驗(yàn)中高壓的獲取,篇幅所限,有機(jī)會(huì)再聊。之前有一篇文章也講解了實(shí)驗(yàn)室中的高壓技術(shù),感興趣的可以點(diǎn)擊這里看一下。

03

新的室溫超導(dǎo)

有了上面這些預(yù)備知識(shí),我們就可以一起來(lái)看一下這篇已經(jīng)被發(fā)表在nature上的文章了。

看到Dias的名字了嗎?最后一個(gè)

同大部分超導(dǎo)的文章一樣,Dias研究團(tuán)隊(duì)對(duì)樣品電輸運(yùn)、磁化率及比熱進(jìn)行了測(cè)量。

首先是電阻的測(cè)量結(jié)果,左圖中給出了10、16、20kbar(1、1.6、2.0GPa)下的電阻測(cè)量結(jié)果,三個(gè)電壓下電阻都降低到了0,這正是超導(dǎo)體的主要特征之一,需要注意的是,這里1GPa時(shí)Tc是最高的,壓強(qiáng)越低,Tc越高,是一個(gè)令人意外的結(jié)果。插圖是樣品及電極圖片。右圖則給出了超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的V-I曲線。

這張圖是對(duì)磁化率的測(cè)量,a圖是60Oe(Oe是高斯單位制中表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的單位,可以理解為高斯,即1T=10000Oe)下8kbar(0.8GPa)的磁矩隨溫度的變化圖,可以明顯看到其Tc為277K(4℃),b圖給出磁矩與外磁場(chǎng)的關(guān)系,也符合超導(dǎo)體的特征,c圖則是不同壓力下的M-T曲線,這里的Tc與電阻上的保持一致,轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間也很小,是非常好的轉(zhuǎn)變。不過(guò)在a圖中也可以看出來(lái)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)原始數(shù)據(jù)做了一定處理。

這里多提一句,磁化率的測(cè)量會(huì)明顯受樣品形狀、背底等因素的測(cè)量,理論上超導(dǎo)體應(yīng)該表現(xiàn)出完全抗磁性(即4πχ=-1),但實(shí)際測(cè)量中測(cè)不到完全抗磁性(即4πχ>-1)也是可以理解的。當(dāng)然Dias的文章中并沒(méi)有約化,a圖中縱軸是磁矩,并非磁化率。

Dias還對(duì)比熱進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如上圖所示,這里給出了10、10.5、20kbar的測(cè)量結(jié)果,可以看到,三個(gè)比熱的曲線均能看到超導(dǎo)在比熱上的轉(zhuǎn)變,Tc與電阻的測(cè)量結(jié)果略有區(qū)別但完全可以理解,這個(gè)結(jié)果是合理的。不過(guò)該說(shuō)不說(shuō),這個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變并不算明顯,尤其是10.5kbar的曲線,峰并不明顯,10kbar的轉(zhuǎn)變也尚不如20kbar明顯。這三個(gè)比熱的轉(zhuǎn)變看起來(lái)也有些區(qū)別,尤其是10kbar和10.5kbar的數(shù)據(jù),僅差了0.5kbar,但圖像差異卻很大。不過(guò)考慮是高壓下測(cè)量的,或許有一些我們不知道的困難吧。

Dias還給出了樣品的XRD(X射線衍射)結(jié)果,并繪制了晶胞圖像,這當(dāng)然也是必要的。

a圖即XRD結(jié)果,他們采用了Mo靶,紅線是理論計(jì)算的結(jié)果,圓圈是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果,藍(lán)線是二者的誤差,看得出來(lái),測(cè)量與計(jì)算的結(jié)果區(qū)別很小,樣品可以說(shuō)是一個(gè)純相,Dias團(tuán)隊(duì)計(jì)算樣品占比為92.25%,雜質(zhì)為L(zhǎng)uN1δHε和Lu2O3。

b圖則是他們繪制的晶胞圖,白色原子是氫,綠色的是镥,粉紅色的是氮原子,他們給出的樣品化學(xué)式是LuH3δNε,61kbar時(shí)空間群是Fm-3m和Immm,但Dias認(rèn)為超導(dǎo)相空間群是前者。

最后是該樣品的超導(dǎo)相圖(原文這是第一張圖),Tc隨著壓強(qiáng)升高而減小,這是出乎大家意料之處,后面或許也將成為研究的重點(diǎn),b圖是樣片形貌隨著壓強(qiáng)的變化,常壓下是藍(lán)色的,隨著壓強(qiáng)升高逐漸變?yōu)榉奂t,最終呈現(xiàn)紅色,樣品的顏色還是非常喜慶的。

篇幅有限,支撐材料就不帶大家一起看了,感興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)nature官網(wǎng)查看。

從文章來(lái)看,這項(xiàng)工作無(wú)疑是突破性的,相關(guān)證據(jù)也很充足,如果能重復(fù)出來(lái),搞不好未來(lái)能發(fā)諾獎(jiǎng)。但物理學(xué)的研究終究不是一家之言,任何科學(xué)研究都應(yīng)該經(jīng)得起驗(yàn)證,這個(gè)也不例外,這項(xiàng)工作勢(shì)必要經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)各個(gè)研究組的重復(fù),如果經(jīng)過(guò)多次重復(fù)之后,確定該結(jié)果的正確性,那將是劃時(shí)代的工作。我們今年諾獎(jiǎng)?lì)A(yù)測(cè)也就有底氣了。

這次的工作號(hào)稱是近環(huán)境下的室溫超導(dǎo),通過(guò)上文,大家也能看到,Tc最高處的壓強(qiáng)為1Gpa,大約1萬(wàn)個(gè)大氣壓,雖然還是很大,但相比于之前的270萬(wàn)個(gè)大氣壓,已經(jīng)小了很多了,重復(fù)的難度也小了很多,相信已經(jīng)有很多研究組已經(jīng)開(kāi)始著手重復(fù)實(shí)驗(yàn)了。

不過(guò)目前很多人對(duì)這個(gè)結(jié)果持觀望態(tài)度,一方面是因?yàn)橹貜?fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還沒(méi)出來(lái),另一方面或許是因?yàn)镈ias之前的“前科”。

其實(shí),在這之前,Dias就已經(jīng)有了兩個(gè)突破性的進(jìn)展。一個(gè)是金屬氫,另一個(gè)就是上一個(gè)室溫超導(dǎo)。

Dias首先宣稱自己在高壓下合成了金屬氫,相關(guān)文章發(fā)表在science上,但其他研究組沒(méi)有重復(fù)出來(lái),而他自己后來(lái)宣稱,由于保存不當(dāng),保存金屬氫的裝置壓力泄露,最終金屬氫因?yàn)閴毫Σ蛔闫Я?。后?lái),Dias也沒(méi)有再合成金屬氫。由此,金屬氫可以說(shuō)是成為了一樁“懸案”。

上次的氫化物室溫超導(dǎo)也是由Dias合成的,其實(shí)現(xiàn)的壓強(qiáng)高達(dá)270GPa,相關(guān)結(jié)果發(fā)表在nature上,但后續(xù)多個(gè)研究組試圖重復(fù)該實(shí)驗(yàn)未果,并由于Dias未披露原始數(shù)據(jù),多人認(rèn)為其在磁化率的數(shù)據(jù)處理中使用了錯(cuò)誤的方法,得到了并不能算正確的結(jié)論。因此在大家的一致抗議下,最終該文章被從nature上撤稿,當(dāng)然,Dias研究團(tuán)隊(duì)所有成員都對(duì)該撤稿行為表示抗議,不過(guò)最終沒(méi)有挽回。

正是因?yàn)檫@兩起事件,領(lǐng)域內(nèi)許多科學(xué)家對(duì)Dias研究團(tuán)隊(duì)其實(shí)持不信任態(tài)度,畢竟他們的數(shù)據(jù)結(jié)果總是比別人漂亮許多。但這次Dias給出很多原始數(shù)據(jù),可以說(shuō)全面又豐富,況且這次的成果只需要1GPa的壓強(qiáng),重復(fù)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單,想必我們很快就可以對(duì)該成果給出一個(gè)定論了,讓我們拭目以待吧。(參考資料:羅會(huì)仟,《超導(dǎo)“小時(shí)代”:超導(dǎo)的前世、今生和未來(lái)》,清華大學(xué)出版社,2022.)(穆梓/中科院物理所微信公號(hào))

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(文章來(lái)源:澎湃新聞)

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