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02月06日

百年超导路,今朝抵室温

作者 : admin | 分类 : 无锡市产业资讯 | 超过 11 人围观 | 已有 0 人发表了看法
原标题:百年超导路,今朝抵室温

2020年10月,来自美国的研究团队在超高压下首次实现了室温超导,临界温度约15℃。这项成果令物理学界振奋,也是2020年最振奋人心的科研成就之一,甚至被认为是超导研究乃至物理学史上的一次里程碑事件。《返朴》曾刊发了多篇超导研究相关的文章,这篇文章则是通过对超导研究历史的梳理,通俗地讲述物理学家如何一点点突破临界温度,实现百年前立下的目标。那些人与故事,激动人心。

撰文 | 瞿立建

百年超导路,今朝抵室温

海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes,1853年9月21日-1926年2月21日),荷兰物理学家,超导现象的发现者,低温物理学的奠基人之一。

发现超导

1904年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes,1853年9月21日-1926年2月21日)在莱顿大学建立了一个大型低温物理实验室。

1908年7月10日,昂内斯的实验室从早晨五点半一直忙活到晚上九点半,在下午六点半到时候,实验室人员见证了物理学历史性的发现,气体氦变成了液体氦,并创造了人造低温的新纪录——4.2K(K表示开尔文,是温度的国际单位,减去273就是我们日常生活中用的摄氏度,即4K就是零下269摄氏度。)随后的日子里,昂内斯实验室继续降低温度,最终获得了1.5K的纪录。昂内斯获得了绰号“绝对零度先生”,还凭借此项研究获得了1913年诺贝尔物理学奖。

百年超导路,今朝抵室温

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昂内斯实验室的氦气液化装置

昂内斯没有再继续挑战低温纪录,转而开始研究如何利用和存储液氦。三年后,他可以比较自如地控制液氦了,便开始研究低温下物质的性质。

1911年春,昂内斯加入到低温下金属电阻的研究中。当时,有物理学家认为电阻随温度降低而一直降低,最终趋近于零;还有物理学家认为,温度接近0K的时候,电子被完全冻住,电阻将是无穷大;还有物理学家猜想,随着温度越来越低,电阻逐渐趋近于一个定值,不再随温度变化。昂内斯决定用实验解决争议。

昂内斯判决性的实验完成于1911年4月8日,他测量了水银的电阻随温度的变化曲线。实验在早上7点开始,下午4点整,实验出现了一个连他自己都无法相信的结果——在4.2K的温度下,水银的电阻突然消失了!

水银的电阻随温度下降不是增大,而是减小,但不是逐渐减小,而是到某个温度的时候,突然降到零!

百年超导路,今朝抵室温

水银的电阻随温度的变化曲线

显然,水银在4.2K温度下,进入了一种新物态,昂内斯称之为“超导态(supraconductivity)”,电阻突然变为零时的温度叫做超导临界温度。

昂内斯知道,他发现的超导不仅是一个奇异的物理现象,还具有商业潜力:如果将来用超导电线输电,电能传输损耗接近于零,也不需要用高电压了,还能节省大量导线和绝缘材料。总之,输电将变得很便宜。

前提是找到能在常温下工作的超导材料。

升 温

昂内斯实验之后,物理学家拿各种金属放在低温下实验,观察有没有超导现象,临界温度是多少。一直努力到1930年代,人们找到的超导临界温度最高的金属元素是铌,还不到10K。

自1930年代开始,超导理论研究开始取得显著进展。1957年,超导的完整的微观理论终于出炉。这个理论以三个提出者的姓氏的首字母命名,称为BCS理论。(参见《 超导研究的历史与挑战:曾经辉煌,今路在何方? 》)

实验研究者继续努力,1930年后开始研究金属的碳化物、氮化物以及金属间化合物的超导电性。到1973年,超导临界温度才仅仅提高到了23K。当时,有人做了一个图,纵坐标是临界温度,横坐标是年份,拟合出一条直线,根据此直线,室温超导将在2840年实现。

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1970年代之前超导临界温度提升与时间呈线性关系

1968年,美国物理学家威廉·麦克米兰(William L. McMillan,1936年1月13日-1984年8月30日)根据BCS理论得到超导体临界温度上限的公式,将公式外推到极限情况,得到最大超导体临界温度约是30-40K,也就是所谓的麦克米兰极限。

真是令人丧气的预言。

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威廉·麦克米兰(William L. McMillan,1936年1月13日-1984年8月30日),在理论上预言了满足BCS理论的超导体临界温度的上限。

好在这个预言后来几年后被打破了。

1986年6月,IBM公司瑞士苏黎世研究院的两位科学家,德国人约翰内斯·柏诺兹(Johannes Bednorz,1950年5月16日-放017)和瑞士人卡尔·缪勒(Karl Müller,1927年4月20日-),报道了一种全新的超导材料——一种铜氧化物陶瓷材料,临界温度35K,他们一下子把超导临界温度提高了50%。这一发现立即引起超导界的跟进。美国休斯顿大学的华裔物理学家朱经武领导的研究组迅速重复并证实了苏黎世实验室的发现,还找到一种超导临界温度高达93K的铜氧化物陶瓷材料。93K,这是超导研究划时代的突破,超导实验不必再用昂贵的液氦,可以使用相对低廉的液氮了。

是麦克米兰错了吗?不是,而是新发现的这一类超导体具有全新的机制,超出BCS理论适用范围。

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右为柏诺兹(Johannes Bednorz,1950年5月16日-),左为卡尔·缪勒(Karl Müller,1927年4月20日-)

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朱经武(1941年2月12日-)

美国物理学会(APS)年会是物理学家的盛会,每年3月举行。1987年3月18日的会议日程颇不寻常,主办方在那天安排了51场有关高临界温度超导的演讲,其中最引人注目的演讲者就是缪勒和朱经武。会议定于晚上七点半开始,开始前两小时就有人排队,最后排队者有2千余人。会议室的门一打开,物理学家们毫无风度地一拥而入,瞬间挤满了会议室。未能挤入会议室的人,在酒店找闭路电视观看。会议一直进行到凌晨3点才结束。会议结束后,物理学家们仍没有退场的意思,依然热烈地讨论着,直到天亮,人群才散尽。

这是学术会议史上最热烈的学术研讨,热烈程度堪比摇滚音乐节,因此这次会议被称为“伍德斯托克物理大会(Woodstock of physics)”,伍德斯托克指的是1969年一次火热的摇滚音乐节,是流行音乐史上最盛大的音乐节之一。(据说美国人对1969年的回忆只有两件事,一件是阿波罗11号成功登月,另一件就是伍德斯托克音乐节。)

百年超导路,今朝抵室温

时代杂志封面报道伍德斯托克物理大会

物理盛会结束了,但超导竞赛进行得更如火如荼了——超导临界温度在多个研究组下相继攀升。这次超导竞赛中,中国科学家赵忠贤领导的课题组在极端落后的实验条件下,夜以继日的工作,取得多项研究成果,尤其是首先发现了临界温度100K以上超导体,为中国超导科学赢得世界性的声誉。

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上图:赵忠贤在伍德斯托克物理大会上做报告。下图:赵忠贤会后回京骑三轮车为家里拉蜂窝煤。

1993年,铜氧化合物超导临界温度提高到了134K。向铜氧化合物加高压,朱经武创造了165K的纪录。被寄予厚望的铜氧化合物超导临界温度向室温前进,却半途而止。

2008年,日本科学家发现超导临界温度超过40K的含铁的化合物,即铁基超导体。中国科学家迅速跟进,并将超导临界温度提高至55K,在极短的时间内吸引了全世界超导学者的目光,再次为中国超导科学赢得声誉。

铁基超导体具有丰富的物理性质和有潜力的应用价值,但它的临界温度距离室温依然非常遥远。值得一提到是,大量铁基超导体系由中国科学家所发现,尤其是高临界温度体系。

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大量铁基超导体系由中国科学家所发现

超导临界温度发展史总结在下图中:

百年超导路,今朝抵室温

超导临界温度发展史简图

林林总总这些材料是怎么找到的?

常用方法是,把已知的超导材料中的一种或几种元素替换成其他元素,测新材料的超导临界温度。拿铁基超导体举个例子,中国科学家迅速起步的方法就是把日本科学家发现的材料中的稀土元素镧(La)替换为其他稀土元素,如铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钆(Gd)、钐(Sm)等。根据铁基超导材料基本组合规则(碱金属或碱土金属+稀土金属+过渡金属+磷族元素+氧族元素),粗略估计其家族成员数目有3000多种,真是蔚为壮观,研究铁基超导体,无失业之虞。

难道超导材料研究就指望运气和蛮力吗?

不是的,新一类超导材料——氢化物走出来一条新路,理论计算开路,实验后续跟上。

算出超导

在超导竞赛中,临界温度的提高都来自实验上的突破,但当实验陷入瓶颈时,过去的理论又发展出了新进展,丰富了物理学家的武器。美国康奈尔大学的理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft, 1938年11月27日-)早在1968年就在理论上预言 (Phys. Rev. Lett. 1968, 21, 1748),金属氢会有较高的超导临界温度,只不过需要加上500万倍大气压的压强。

可惜,实验令人失望,与阿什克罗夫特的预言有不小的差距。

百年超导路,今朝抵室温

尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft, 1938年11月27日-)在理论上预言高压下氢化物可变成室温超导体

最早做出靠谱预言的科学家之一是我国吉林大学马琰铭教授,他领导的研究组预言硫化氢在高压下可变为高临界温度的超导体(J. Chem. Phys. 2014, 140, 174712),这一预言在2015年被德国科学家所证实(Nature 2015, 525, 73),在150万倍大气压强下,温度低于203K,即零下70摄氏度,硫化氢变成超导体,创造了超导临界温度纪录。(参见《 超高压下首次实现室温超导——中国团队理论预言富氢材料 》)

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吉林大学教授马琰铭

2019年,马琰铭领导的课题组预言Li-Mg-H三元化合物Li 2 MgH 16 在高压下会变成超导体,且临界温度高于室温 ( Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 097001)

2020年10月,美国罗彻斯特大学的Ranga Dias领导的课题组在含氢三元化合物中实现了室温超导体,不是马琰铭提议的Li-Mg-H三元化合物,而是用的C-S-H三元化合物(分子式依然未知),超导临界温度为288K,即15摄氏度,所需压强为155万倍大气压强( Nature 2020, 586, 373)

史上第一个室温超导体诞生了!

百年超导路,今朝抵室温

挤压在两钻石之间的C-S-H三元化合物是室温超导体

这是物理学历史上划时代的大事件!

未完待续

室温超导是实现了,但是是在上百万倍大气压强下实现的,距离实用性依然有很远的距离,即便是基础研究,全世界也只有屈指可数的实验室能达到此等条件。

目前已有大量理论计算文章预言了很多高压高临界温度超导体,Dias的工作显然会使这个领域更火热。随着研究的深入,有理由期待,临界温度会继续提高,所需压强会降低,材料性质更优良。也许不远的将来,室温超导会成为实用技术,超远距离输电将几无损耗,磁悬浮列车成本将变得低廉,量子计算机将易于实现……每一项应用都会深刻改变我们的世界。

1981年诺贝尔化学奖得主罗德·霍夫曼(Roald Hoffmann)预言,高压高临界温度超导体获得诺贝尔奖的概率非常大,Dias已预订一个席位。

中国还有机会。

从高压超导体的发展可以看出,寻找超导体的玩法已经变了,理论、计算、实验三管齐下正逐渐成为标准操作。中国理论计算执牛耳,实验研究功勋著,双方顺应新范式,密切合作,建立常压室温超导体不朽功勋,值得期待!

参考资料

  • 章立源 《超越自由 神奇的超导体》 科学出版社
  • Physics Today 63, 9, 38 (2010), The discovery of superconductivity
  • 维基百科:超导现象
  • 维基百科:超导历史
  • Physics Today 72, 5, 52 (2019),The quest for room-temperature superconductivity in hydrides
  • 罗会仟博客:超导“小时代”之二十一:火箭式的速度
  • 罗会仟:铁基超导的前世今生 《物理》2014,43,430
  • A Prediction for “Hot” Superconductivity
  • Room temperature superconductivity finally claimed by mystery material

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