室溫超導體，科幻還是現實？

科幻電影《阿凡達》里的室溫超導體「Unobtanium」

今年3月和6月,著名的科研論文預印本網站arXiv.org先後貼出了兩篇論文,號稱發現了373K的超導體和350K的超導跡象。有人對室溫超導體的發現歡呼雀躍,然而科學家們反映卻異常冷淡。

在科幻電影《阿凡達》里,人們為了開發潘多拉星球上的寶貴資源不惜一切代價大老遠跑到外星球去,究竟挖什麼寶貝呢?電影里揭秘道,它是一種地球上沒有的神奇室溫超導礦石。這室溫超導體具有異常強大的力量,以至於依賴潘多拉星磁場就足以懸浮起含有這類礦石的一座座「哈利路亞」大山,其經濟價值無可估量。

今年三月和六月,著名的科研論文預印本網站arXiv.org先後貼出了兩篇論文,號稱發現了373K的超導體和350K的超導跡象。從科學定義上,一般認為300K就是室溫(0℃相當於273K,300K則相當於27℃)。因此,373K和350K都高於室溫,這是否意味著室溫超導體就此被發現了呢?對於不做超導研究的公眾來說,部分是將信將疑,部分是歡呼雀躍。

然而,在國內外絕大多數超導科研者眼中,這兩篇論文根本不值得一看,且不論其真假與否。換句話說,在任何超導國際會議中,沒有一個人會提這茬。

為什麼科學家對室溫超導體的發現,會反映如此冷淡呢?

超導到底是個啥

要說室溫超導是啥,先得回答什麼是超導。從字面意思上,超導就是超級導電之意。

超導體導電能力有多強?在一定溫度(定義為超導臨界溫度)之下,超導體電阻為零。儘管嚴格意義上的零電阻無法測量出來,但是精確實驗表明,超導材料的電阻率要比導電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等要整整低了10個數量級。

這意味著,在閉合超導線圈中感應出1A的電流,需要近一千億年才能衰減掉,比我們宇宙的年齡138億年還要長。因此,我們有充分的理由認為超導態下電阻為零。

形成神奇的零電阻態同時,超導體還「修鍊」成了另一種神奇的「金鐘罩鐵布衫之功」——可以把體內的所有磁力線排出外面,體內的磁感應強度也為零。超導體具有「完全抗磁性」,該效應於1933年被德國科學家沃爾特·邁斯納發現,又被稱為「邁斯納效應」。

只有同時具有零電阻效應和完全抗磁性這兩大神奇物性的材料,才能從科學意義上稱之為超導材料。

超導有何用

凡是用得上電的地方,都有超導的用武之地。

超導輸電可以節約目前高壓交流輸電技術中15%左右的損耗,超導變壓器、發電機、電動機、限流器以及儲能系統可以實現高效的電網和電機。利用超導線圈製作的超導磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優勢,是高分辨核磁共振成像、基礎科學研究、人工可控核聚變等關鍵技術的核心。

歐洲大型強子對撞機上的9300多個超導磁體,就是發現希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常規磁懸浮技術相比,超導磁懸浮列車更為高速、穩定和安全,是未來交通工具的重要明星之一。

超導還具有許多複雜有趣的微觀量子效應,利用超導電流的量子干涉效應製備的超導量子干涉儀,對外磁場感應極其敏感,是目前世界上最靈敏的磁測量儀器。基於超導量子干涉儀製備超導量子比特,是未來量子計算中最重要的量子單元,基於量子力學原理實現的高性能計算,將掀起一場新的信息革命。

超導材料阻抗性能好,利用超導體替換常規金屬做微波器件,具有信噪比高、帶邊抑制明顯、帶寬控制靈活等多個優勢。也許您使用的智能手機,其通訊基站就用到了超導濾波器,這些高性能微波器件同樣在軍事設備、衛星通訊、航空航天等領域大有所用。

為何要尋找室溫超導材料

超導長期以來都是基礎物理研究中的一個重要前沿領域。自1911年4月8日,第一個超導體——金屬汞被發現存在4.2K的超導電性以來,物理學家發現了大量單質和合金超導體,但是它們的超導臨界溫度都很低,此後的75年間探索到的最高臨界超導溫度為23.2K。

如此低的超導溫度意味著,實現超導應用必須依賴於昂貴的低溫液體——如液氦等來維持低溫環境。這導致超導應用的成本急劇增加,維持低溫的成本甚至遠遠超過了材料本身的價值。尋找更高臨界溫度,特別是液氮溫區(77K)以上的可實用化超導材料,成為材料探索的重要目標。

1986年瑞士蘇黎世IBM公司的柏諾茲和繆勒在銅氧化物體系發現了35K的超導。在中美等國科學家的推動下,該記錄在五年內不斷刷新,於1994年左右創造了常壓下135K、高壓下164K的臨界溫度新記錄。然而,銅氧化物高溫超導材料屬於氧化物陶瓷,缺乏柔韌性和延展性,容易在承載大電流時失去超導電性而迅速發熱,應用起來存在許多技術難度。而且,其物理性質極其複雜,難以被現有理論框架解釋。尋找新型的高溫超導體,勢在必行。

2008年2月23日日本科學家報道了鐵砷化物體系中存在26K的超導電性。在中國科學家的努力下,這類材料的超導臨界溫度很快就突破了40K,在塊體材料中實現了55K的高溫超導電性。新一代高溫超導家族——鐵基超導就此宣告發現。只是這類超導體大都含砷或鹼金屬,不僅有毒而且對空氣敏感,應用方面同樣存在不少局限性。

高於40K以上的超導體又被稱之為高溫超導體,銅氧化物和鐵基超導體,是目前發現了僅有的兩大高溫超導家族。

儘管人們在單質金屬、合金、氧化物、甚至有機物中都發現了超導電性,人們一直渴望尋找到室溫下的實用超導體。關於室溫超導的夢想,一直沒有間斷過。美國、中國、日本等國科學家都曾先後立項探索室溫超導體,日本更是提出了尋找400K以上超導體的遠景目標。

室溫超導有可能實現嗎

2016年是高溫超導發現30周年,隨著鐵基超導、硫化氫超導等的被發現,尋找室溫超導似乎已經水到渠成。新的室溫超導體彷彿已經向人類發出了召喚,同時又「猶抱琵琶半遮面」。

今年3月4日,有一作者在arXiv貼出了一篇題為「373K超導體」的論文。令人奇怪的是,作者的單位就叫做「私密研究所-373K超導體」,一查才發現原來是他註冊了一個公司就叫做「373K超導體」!更令人狐疑的是,通篇論文未提該「超導材料」的化學式或者合成方式;儘管都有零電阻和抗磁性的實驗數據,而且這些數據「看起來特別真實」,數據質量卻非常糟糕,不少所謂「磁懸浮」的圖片都用來當做證據之一。在絕大多數專業從事超導研究人員看來,這不是一篇合格的學術論文。

無獨有偶,6月30日,又有德國人在arXiv貼出了關於石墨晶體中存在350K超導跡象的論文。相比3月份的論文,這篇論文數據顯得更為詳實系統,似乎預示著室溫超導的發現不遠了。這次不同是,他們詳細指出樣品來自巴西某礦產的石墨晶體。理論上,石墨烯中是否存在室溫超導電性,一直以來是爭議的一個焦點之一。因為石墨烯中電子運動速度極快,甚至需要用相對論化的狄拉克方程來描述,而不是簡單的薛定諤方程,那麼一旦實現超導,就可能意味著很高的臨界溫度。細讀這篇論文,就會發現結論並非那麼可靠,因為所有的實驗數據就沒有出現真正意義上的零電阻態,完全抗磁性也沒有。作者所謂的「超導證據」,只是電阻在350K存在一個輕微的下降,並會響應磁場的變化,這種可能性其實有很多,完全可以和超導沒有關係。

室溫超導之路,漫漫其修遠兮。

期待真的有室溫超導被發現的那一天。或許那時,我們可以在家裡舒舒服服地躺在室溫超導磁懸浮沙發上休息,也可以午飯後坐上時速3000公里以上的真空管道超導磁懸浮列車去巴黎喂個鴿子,還可以在辦公室隨時弄個核磁共振成像監測身體內部的變化。

畢竟,夢想還是要有的,萬一哪天被實現了呢?

稿件來源:科學大院(中科院官方科普微信號)

作者:羅會仟(中科院物理研究所)

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證實室溫超導體是個難事

儘管大部分科學家都堅信室溫超導體的存在,但真正要100%確認一個室溫超導體,卻從來不是件容易的事兒。

和實驗物理學家的小心謹慎不同,理論物理學家的預言往往比較大膽。在不違反已知物理原理基礎上,理論預言可能的室溫超導體還是不少的,其中典型代表之一是金屬氫。

令實驗物理學家鬱悶的是,他們不斷努力改進實驗裝置,通過金剛石對頂壓砧把壓力提高到了325萬個大氣壓,固態金屬氫終於在2015年被成功實現。如此高的壓力,已經接近地心內部壓力(360GPa)了,這時氫分子早已被打斷成了單個氫原子,但卻沒有發現超導電性。

十分有趣的是,包括中國的研究人員在內的科學家還從理論上預言氫的化合物H2S-H2體系在高壓下可能實現191K的高溫超導,將突破銅氧化物中164K的臨界溫度記錄。同在2015年,德國科學家A.P.Drozdov等人宣稱在硫化氫中發現了203K的超導電性,距離300K的室溫,幾乎一步之遙。只是,條件同樣非常苛刻——要在200萬個大氣壓下(200GPa)才可以。實驗技術難度非常之大,要在低溫狀態下把極其容易爆炸的硫化氫通入金剛石壓砧裝置,還要能夠在超高壓下測量其電阻和磁化率。

論文於2014年12月1日貼到預印本網站arXiv,歷經半年多後才投稿到了Nature雜誌上。據說,為了避免前車之鑒,這半年時間內,Nature雜誌預先請了一個專家團到德國的實驗室去,要求查看所有的原始實驗記錄,並實地重複出實驗結果。在保證零電阻結果可靠性之後,專家團還要求他們進行了完全抗磁性的測量,最終確立了200K以上超導的準確性,才允許投稿,並且花了近一個月時間審稿才被接收。後來,論文中的若干現象被日本和中國科學家重複實驗證實,科學界才慢慢接受這個結果,在此之前,幾乎所有人對Drozdov的學術報告反應都顯得冷淡。200K超導,看上去很美,但在如此高壓下卻難以實用。

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