實現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”?讓子彈再飛一會兒
鬧烏龍還是摘下“圣杯”
實現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”?讓子彈再飛一會兒
◎本報記者 陳 曦 實習(xí)記者 沈 唯
超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì),還有相位相干性質(zhì)。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用。目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、交通等多個領(lǐng)域,發(fā)揮了不可替代的作用。
“這個結(jié)論應(yīng)該是被證偽了?!蹦暇┐髮W(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞?;F隊在幾乎復(fù)刻了美國羅切斯特大學(xué)教授迪亞斯研究的室溫超導(dǎo)材料并完成測量以后,得出了與之完全不同的結(jié)論。除此之外,我國多個團隊發(fā)表的相關(guān)實驗結(jié)果也都給出了否定的結(jié)論。
3月初,迪亞斯在美國物理年會的一場報告中宣布,在1GPa(約1萬個標準大氣壓)下,實現(xiàn)了294K(21℃)的室溫超導(dǎo)。
是烏龍事件,還是迪亞斯團隊確實摘下了“凝聚態(tài)物理學(xué)圣杯”?一切有待驗證。但無論結(jié)果如何,都說明“室溫超導(dǎo)”自帶龐大“流量”,多年來,吸引著無數(shù)科學(xué)家在這一領(lǐng)域孜孜以求,躬耕不輟。
那么,“室溫超導(dǎo)”究竟是什么?人類距離這個目標還有多遠?
超導(dǎo)特性催生顛覆性應(yīng)用
“眾所周知,金、銀、銅是非常好的導(dǎo)體材料,電阻都比較小,但是仍然存在電阻。”上海大學(xué)材料基因組工程研究院教授葛軍飴介紹,超導(dǎo)材料是一類具有特殊電、磁特性的材料,它具有在某一臨界溫度下,表現(xiàn)出電阻突然消失且完全抗磁的特性。在理論上,超導(dǎo)材料導(dǎo)電時可以沒有阻力、熱損耗和衰減。
“超導(dǎo)材料除了零電阻性質(zhì)、磁通釘扎性質(zhì),還有相位相干性質(zhì)。這三個主要特性讓超導(dǎo)體有很多非常奇特甚至是顛覆性的應(yīng)用。”聞?;⒔榻B。
目前超導(dǎo)材料已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、交通等多個領(lǐng)域,發(fā)揮了不可替代的作用。
葛軍飴舉例說,醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產(chǎn)生特斯拉級別強磁場,該設(shè)備的分辨率與磁場的大小成正比,磁場越大越容易發(fā)現(xiàn)一些早期病變。而超導(dǎo)材料的磁通釘扎性質(zhì)可以使其在強磁場下仍然保持零電阻特性,因此可以制備出非常強大的磁場。
在電網(wǎng)的運行中,為了降低傳輸中的損耗,往往需要用到超高壓的輸電方案。但建設(shè)超高壓電網(wǎng)不僅需要較高的成本,還會對環(huán)境造成一定的破壞。而采用超導(dǎo)電纜輸電,可以在幾十千伏的電壓下傳輸相同級別的電力。2021年12月,我國自主建設(shè)的首條公里級高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運行,在超導(dǎo)電纜大規(guī)模應(yīng)用的征途中邁出了重要的一步。
此外,超導(dǎo)在儲能、磁懸浮等領(lǐng)域的應(yīng)用也在快速發(fā)展中。全球最大的國際科研合作項目“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”,有望解決人類對清潔能源的終極需求。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克裝置,俗稱“人造太陽”。近幾年快速發(fā)展的量子計算的多條路徑中,基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)設(shè)計的量子計算機是目前公認最可能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的方案。
室溫超導(dǎo)“圣杯”為何難摘
“目前只有在極低溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性,這意味著實驗中使用的超導(dǎo)材料無法投入到長期、常規(guī)的應(yīng)用中,比如無損電力傳輸、超導(dǎo)磁懸浮高速列車和平價醫(yī)療影像設(shè)備。”南開大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說。
從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來,人類在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒有停下腳步。100多年來,在試圖解釋超導(dǎo)機理的同時,科學(xué)家一直在想辦法提升超導(dǎo)材料的臨界溫度。
最先出現(xiàn)的是低溫超導(dǎo)材料。聞?;⒔榻B,1986年之前,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的所有超導(dǎo)材料的最高臨界溫度是23.2K(-249.95℃)。低溫超導(dǎo)材料以鈮鈦超導(dǎo)體、鈮三錫化合物超導(dǎo)體這兩類材料為代表,目前在工業(yè)界、醫(yī)療界、大科學(xué)裝置等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。
就在人們對高溫超導(dǎo)不抱太大希望的時候,1986年,瑞士的兩位科學(xué)家在銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象,并且很快合成了臨界溫度大于77K(-196℃)的超導(dǎo)材料釔鋇銅氧。這類臨界溫度突破傳統(tǒng)理論預(yù)言的麥克米蘭極限40K(-233℃)的材料被稱為高溫超導(dǎo)體。
“需要說明的是,這里的‘高溫’也只是一個相對的概念。實際上,目前已經(jīng)進入實用化階段的高溫超導(dǎo)體的臨界溫度仍然在零下100多攝氏度,遠低于室溫,需要液氮作為制冷劑運行。”葛軍飴強調(diào)。
隨后,人們相繼發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂、鐵基超導(dǎo)在內(nèi)的多個新的超導(dǎo)體系,并嘗試通過化學(xué)元素摻雜、離子液體調(diào)控、電荷轉(zhuǎn)移等方法提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。但迄今為止,常壓下的超導(dǎo)臨界溫度的紀錄仍然由銅氧化物超導(dǎo)體保持。
“盡管高溫超導(dǎo)體突破了液氮溫度,可以在液氮下使用,且成本很低。但其使用依舊受限。”季魯補充說,制冷成本和高溫超導(dǎo)材料的一些臨界參數(shù)限制了高溫超導(dǎo)的發(fā)展。
“發(fā)現(xiàn)真正的室溫超導(dǎo)體是人們的終極目標。如果室溫超導(dǎo)材料出現(xiàn),那么制冷成本會更低,室溫超導(dǎo)材料就會更容易推廣?!甭労;⒄f。
葛軍飴表示,室溫超導(dǎo)并不是一個新概念,理論研究就曾預(yù)言,原子質(zhì)量最小的氫被金屬化后將表現(xiàn)出高達室溫的超導(dǎo)臨界溫度。然而,要使氫變成金屬,需要外界施加極大的壓力。
直到2017年,金屬氫才首次被迪亞斯及其導(dǎo)師在高壓下合成,但該實驗至今仍無法被其他實驗室重復(fù)。2020年迪亞斯等人報道的高壓下的室溫超導(dǎo)也因為數(shù)據(jù)可靠性存疑以及實驗的不可重復(fù)性等原因在2022年9月被撤稿。
“此次迪亞斯課題組的研究成果再次引起廣泛關(guān)注的原因在于,本次報道的室溫超導(dǎo)所需要的壓力條件比之前的氫化物體系出現(xiàn)超導(dǎo)所需要的壓力小得多,只有之前的幾百分之一?!备疖婏嵳J為。
未來將如何實現(xiàn)室溫超導(dǎo)
由于迪亞斯此次公布的成果降低了實驗所需壓力,因此世界各地的很多實驗室都具備重復(fù)試驗的條件。
3月15日,聞?;F隊在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9個作者、長達16頁的研究論文,題目是“氮摻雜氫化镥(LuH_2±xN_y)近環(huán)境條件下不存在超導(dǎo)性”,直截了當?shù)胤穸说蟻喫沟难芯拷Y(jié)論。
“迪亞斯制備樣品材料的方案幾乎不可行,我們結(jié)合自己的條件,以全新的方式進行合成,得到了镥氮氫材料?!甭労;⒄f。
經(jīng)X射線衍射儀技術(shù)檢查后,該材料結(jié)構(gòu)與迪亞斯的樣品幾乎一致。聞?;F隊隨即在6萬個大氣壓以下的不同壓力中,對該材料電阻進行了測量,發(fā)現(xiàn)溫度低至10K時都沒有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生。同時,他們也進行了仔細的磁化測量,發(fā)現(xiàn)沒有超導(dǎo)所需的抗磁信號?!斑@些發(fā)現(xiàn)足以說明我們制備出來的與迪亞斯團隊制備的類似樣品中,沒有近常壓的室溫超導(dǎo)電性。”聞?;⒄f。
季魯也認同這一結(jié)論?!奥労;F隊將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強環(huán)境下,確實在300K左右的溫度條件下看到了一些電阻數(shù)據(jù)的變化,但看起來應(yīng)該是材料結(jié)構(gòu)的變化。”他說,這種變化可以認定為一種相變,但應(yīng)該不是超導(dǎo)相變。因此,針對這種截然相反的結(jié)果,有兩種解釋——要么是迪亞斯的實驗條件更加苛刻,要么是迪亞斯團隊的數(shù)據(jù)解讀有明顯錯誤。
“其實常壓下室溫超導(dǎo)材料的實現(xiàn)路徑,除了迪亞斯這種金屬附氫加高壓的方向之外,還有很多其他辦法。”聞?;⒔榻B,比如沿著原來銅氧化物超導(dǎo)的方向,也有可能實現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo),這也是國際主流方向。
理論成果往往要很久后才能投入應(yīng)用。葛軍飴認為,實現(xiàn)室溫超導(dǎo)的路還很遙遠。就如同距離高溫銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過去了30余年,但目前應(yīng)用最廣泛的實用化超導(dǎo)體仍然是20世紀50年代發(fā)現(xiàn)的鈮鈦超導(dǎo)體、鈮三錫化合物超導(dǎo)體等合金類的低溫超導(dǎo)體。
聞?;⒈硎荆覝爻瑢?dǎo)是人類夢寐以求的目標。同時,我國也在積極推進低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用進程,取得了較多進展。在低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用上,我國已基本達到國際先進水平。而在高溫超導(dǎo)應(yīng)用上,目前上海、蘇州等地的公司已經(jīng)能制備出釔鋇銅氧超導(dǎo)體的帶材。此外,我國科學(xué)家在目前國際上最看好的鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域,也作出了許多貢獻。
“如果能實現(xiàn)更強磁場下的超導(dǎo)磁體技術(shù),可以讓核聚變更容易發(fā)生,再加上超級加速器,能大大降低可控核聚變成本,應(yīng)用前景廣闊?!甭労;⒄f。(科技日報)
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