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室温超導
鎖定
- 中文名
- 室温超導
- 外文名
- room-temperature superconductor [2]
- 所屬學科
- 物理
室温超導定義
超導現象是指電流可以在材料中以零電阻通過,但嚴格來説,是指在某一温度以下電阻為零,該温度被定義為超導體的“臨界温度”。判斷一個材料是否屬於超導體,不僅僅要看它是否具有零電阻的特性,還必須同時具有完全抗磁性,即抗磁磁化率達到最大值,為-1。超導體的零電阻特性讓傳輸電流幾乎沒有能量耗損,超導材料能承載比常規導體更強的電流,在小範圍空間裏產生更高的磁場;而一般常規導體材料,在導電過程中都會消耗大量能量,產生強磁場會有很強的發熱效應
[1]
。
通常情況下,只有在特定温度之下,材料才會進入超導狀態。這個臨界温度非常低,往往從幾到幾十開爾文(大約零下二百多攝氏度),這在日常生活中非常難達到,而需要依賴液氦、液氮等製冷介質,極大地限制了超導材料的大規模應用
[3]
。 室温超導指的是臨界温度大於等於室温(300K,27℃)的超導體。歷史上曾多次有人聲稱合成了室温超導體,但均被質疑,未獲科學界廣泛承認。目前尚不存在真正意義上的室温超導體,雖然理論上並沒有對超導體的臨界温度有明確的上限,但理論上也並沒有支持室温超導體存在的證據。
室温超導原理
早在1911年,荷蘭物理學家卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已經發現,當温度降低至4.2K(約-268.95℃)時,金屬汞的電阻會消失,他將該現象命名為超導
[4]
。
但直到1957年,才有了第一個能從微觀上成功描述超導現象的理論——BCS理論
[5]
。該理論由美國科學家約翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·庫珀(Leon Cooper)和約翰·施裏弗(John Schrieffer)基於量子力學建立。金屬中的自由電子在有電壓時,會在帶正電的原子晶格點陣中整體產生定向漂移形成電流。通常情況下,帶正電的原子晶格會存在熱振動以及雜質和缺陷,由於原子與電子之間的電和磁性相互作用會干擾電子的集體漂移,從而對電流產生阻礙,即有電阻效應。這三位科學家認為,在超導體中,自旋相反、動量相反的一對電子會被因為間接與原子晶格交換能量,從而形成“庫珀對”(Cooper pair),大量庫珀對因為量子相干效應產生集體凝聚的波,這種波的空間尺度要遠大於原子晶格點陣,可以無阻礙地穿越晶格,實現零電阻狀態。
“庫珀對”就彷彿是電子組合在一起舞蹈,但隨着温度的升高,熱運動會逐漸破壞庫珀對。而如何讓庫珀對在温度很高的情況下也能穩定存在呢,尼爾·阿什克羅夫特(Neil Aschcroft)在1968年給出了答案,最輕的元素——氫原子或許能提供更強有力的電子配對“膠水”。氫原子體積和質量都很小,能使得電子在晶格點陣中距離得更近,電子與原子熱振動的耦合也更強,庫珀對結合更為緊密,這樣能使凝聚的宏觀量子波傳播更快更遠,實現室温超導電性
[6]
。
但是隻單純用氫,需要500-1000萬個大氣壓才有可能實現室温超導,如果添加另一種元素,讓氫嵌入其中,也許會使條件變得不這麼苛刻。2014年12月, 德國馬克斯普朗克化學研究所的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣佈在硫氫化物中發現 190 K 超導零電阻現象,壓力為150 GPa,之後在2015年8月,他們已經獲得了220 GPa下203 K的超導電性,該材料後來被證實為H3S
[7]
。這也促成了之後大家對氫化合物的大量嘗試,包括ThH10、CaH6、CeH9、YH6、Lu4H23等已經被相繼發現能在“高温”條件(>40K)下實現超導電性,部分材料超導温度能達到200 K以上,不過大都在100-200萬個大氣壓條件下才能實現
[8-9]
。
2019年,人類距離室温超導更近一步。德國的M. I. Eremets研究組和美國的馬杜裏·索馬亞祖魯(Maddury Somayazulu)研究組各自宣佈,十氫化鑭(LaH10)在170-190萬個大氣壓下,可以在逼近室温的250-260K以上出現超導性,這是歷史上被業界承認的超導臨界温度最高紀錄
[10-11]
。
高壓下的二元富氫化物是目前距離室温超導目標最近的材料的體系。理論上,科學家們還預言了更加複雜的高壓三元氫化物具有超導電性。例如吉林大學段德芳、崔田等人預言LaBeH8在20萬個大氣壓下Tc≈185 K
[12]
,吉林大學劉寒雨、馬琰銘等人預言Li2MgH16在250萬個大氣壓下Tc≈473 K
[13]
,JAIST的A. Ghaffar等人預言Y3EuH24在200萬個大氣壓下Tc≈220 K
[14]
。但是這些材料結構都遠比二元氫化物複雜的多,目前實驗上如何合成並測量尚屬未知。
除了高壓下氫化物之外,人們更期待能夠找到常壓下的室温超導材料。儘管常壓室温超導材料未必具有可滿足大規模應用的性能,但發現常壓室温超導對於基礎科學研究有着重大的意義。室温超導的探索,有可能啓發新材料探索的思路,從中發現大量的新物理現象。不過,目前為止,並沒有公認的室温超導體出現。
室温超導質疑
歷史上,曾有多人宣稱過自己成功合成了室温超導體,但都未能得到證實。一部分宣稱者拒絕公開材料合成方法,其他一些被公開的“室温超導”合成方法無法被其他研究組獨立重複,部分研究論文在經受廣泛質疑之後被撤稿。下表列出了一些宣稱合成室温超導體的事件:
年份 | 作者 | 材料 | 條件 | 備註 |
1987 | Ogushi等 | 常壓,228-323K | 未得到證實 | |
2003 | Prins | 常壓,室温 | 未得到證實 | |
2012 | Scheike等 | 常壓,300K | 未得到證實 | |
2016 Precker等 | 常壓,350K | 未得到證實 | ||
2018 | Thapa等 | 常壓,286K | 數據被質疑 | |
2020 | Dias等 | 267GPa,288K | 已撤稿 | |
2020 | Tozer等 | 180GPa,556K | 未得到證實 | |
2023 | Dias等 | 1GPa, 294K | 已撤稿 | |
2023 | Lee等 | 常壓,400K | 已證偽 |
室温超導應用
超導材料在能源、健康、醫療、通訊、運輸、信息等領域都有非常重要的應用。簡單來説,它分為強電應用和弱電應用兩大塊。
強電應用就是利用超導體零電阻的特點,可以實現很強的電流、很高的磁場。超導材料幾乎可以用在所有電力設備裏面,比如超導輸電、超導儲能、超導選礦、超導接頭和限流器、超導電動機和發電機等。強大的超導磁體,可以在小尺寸下實現30T以上的穩態強磁場,是基礎科研的利器。比如在高能粒子加速器、磁約束可控核聚變、高速動能加載和電磁彈射等方面,超導磁體是必不可少的關鍵部件。基於超導塊材磁懸浮和超導磁體的電動懸浮,可以實現高速磁懸浮列車,運行速度可達600公里/小時以上。
弱電應用指的是超導材料作為電磁波探測或電子學器件。比如:利用超導的良好阻抗性能,可以實現超導的濾波、混頻、通訊系統,實現高度的保密性;超導金屬可以作為帶電粒子加速的微波高頻腔,是各種粒子加速器的“心臟”;利用超導納米線的磁通效應對光的靈敏響應,可實現最為精密的單光子探測。此外,超導作為一種量子效應,它可以實現各種量子極限的器件。最常見的一種叫做超導量子干涉儀,具有世界上最靈敏的磁性探測能力,僅受到量子力學基本原理的限制,可以作為電壓的基準。基於它還可以構造出超導量子比特,進而做出複雜的超導量子芯片,實現超導量子計算,對解決特定的數學和物理問題有絕對的優勢。在未來,我們甚至還可以利用拓撲超導體的拓撲電子態,實現不依賴於低温的拓撲量子計算,讓量子計算的成本大幅度降低,穩定性大大提升。
目前,超導相關的應用還只能在較低温度下實現,超導體需要使用大量液氮甚至昂貴的液氦來冷卻,成本高昂且有一定的安全隱患。常壓條件下的室温超導一直是凝聚態物理學有待摘取的“聖盃”,一旦成功合成並實現較好的性能,會對物理學、材料學及工程學的相關領域都有巨大的推動。 室温超導可能會對人們的生活帶來巨大的改變,比如家裏的傢俱可以沒有腿的磁懸浮狀態,出門可以看到天上有懸浮的城市,地上的汽車沒有輪子,城市之間有高速的磁懸浮列車,甚至還有續航優越的超導太空飛船實現太空移民的夢想。只是,室温超導何時能夠實現並沒有預期,需要一代又一代的科學家堅持不懈地去探索。
當然,實現室温超導也並不意味着馬上就會掀起一場工業革命,因為室温超導材料未必好用。對於強電應用而言,超導體的載流性能依賴於三個臨界參數:臨界温度、臨界磁場、臨界電流密度。適合於強電強磁應用的超導材料,不僅僅是臨界温度,實際上三者都要高。同時批量化的製備和使用,還要求材料的機械性能要好、化學穩定性要好、原料和製備成本要低等。對於弱電應用而言,並不需要大規模生產超導材料本身,但在物理性質方面有更多的參數指標要求,比如電子平均自由程要長,庫珀對相干長度要大,關聯效應要強,超導能隙大小要合適,量子束縛態要易於操縱等等,一個超導薄膜是否合適做高靈敏度的電子元器件,對其平整度、表面阻抗等有更高的要求。如果實現室温超導,意味着電子集體們要維持高温配對就要付出更多的代價,其他的參數可能就會特別低,比如臨界電流密度可能極小,稍微通電即變成不超導,抑或臨界磁場特別低,在有磁場情況下磁通線容易進入超導體內部,造成非常複雜的磁通運動,以至於無法實現強電應用。也有可能室温超導體中庫珀對的相干長度很短,或者壽命極短,無法長時間維持超導的狀態,那麼也很難有什麼弱電應用
[24]
。
- 參考資料
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- 1. 2022年度“十大基礎研究關鍵詞”揭曉 .央廣網
- 2. Davide Castelvecchi. First room-temperature superconductor excites — and baffles — scientists.
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- 24. 超導一文讀懂:各種“室温超導體”引熱議,我們該相信誰? .騰訊新聞
- 25. 2023年十大科技熱詞出爐 .科創板日報.2023-12-23[引用日期2023-12-23]
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