實(shí)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”?讓子彈再飛一會(huì)兒
鬧烏龍還是摘下“圣杯”
實(shí)現(xiàn)“室溫超導(dǎo)”?讓子彈再飛一會(huì)兒
◎本報(bào)記者 陳 曦 實(shí)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(gè)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(gè)領(lǐng)域,發(fā)揮了不可替代的作用。
“這個(gè)結(jié)論應(yīng)該是被證偽了。”南京大學(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞?;F(tuán)隊(duì)在幾乎復(fù)刻了美國(guó)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(cè)量以后,得出了與之完全不同的結(jié)論。除此之外,我國(guó)多個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都給出了否定的結(jié)論。
3月初,迪亞斯在美國(guó)物理年會(huì)的一場(chǎng)報(bào)告中宣布,在1GPa(約1萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下,實(shí)現(xiàn)了294K(21℃)的室溫超導(dǎo)。
是烏龍事件,還是迪亞斯團(tuán)隊(duì)確實(shí)摘下了“凝聚態(tài)物理學(xué)圣杯”?一切有待驗(yàn)證。但無(wú)論結(jié)果如何,都說(shuō)明“室溫超導(dǎo)”自帶龐大“流量”,多年來(lái),吸引著無(wú)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(lèi)距離這個(gè)目標(biāo)還有多遠(yuǎn)?
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?!鄙虾4髮W(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(lèi)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(shí)可以沒(méi)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(gè)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(gè)領(lǐng)域,發(fā)揮了不可替代的作用。
葛軍飴舉例說(shuō),醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振普遍需要產(chǎn)生特斯拉級(jí)別強(qiáng)磁場(chǎng),該設(shè)備的分辨率與磁場(chǎng)的大小成正比,磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)下仍然保持零電阻特性,因此可以制備出非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)。
在電網(wǎng)的運(yùn)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(huì)對(duì)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(jí)別的電力。2021年12月,我國(guó)自主建設(shè)的首條公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜并網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)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(guó)際科研合作項(xiàng)目“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”,有望解決人類(lèi)對(duì)清潔能源的終極需求。ITER裝置是一個(gè)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(yáng)”。近幾年快速發(fā)展的量子計(jì)算的多條路徑中,基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)是目前公認(rèn)最可能實(shí)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(shí)驗(yàn)中使用的超導(dǎo)材料無(wú)法投入到長(zhǎng)期、常規(guī)的應(yīng)用中,比如無(wú)損電力傳輸、超導(dǎo)磁懸浮高速列車(chē)和平價(jià)醫(yī)療影像設(shè)備。”南開(kāi)大學(xué)電子信息與通信系副教授季魯說(shuō)。
從1911年荷蘭科學(xué)家卡莫林發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái),人類(lèi)在探索超導(dǎo)材料的路上一直沒(méi)有停下腳步。100多年來(lái),在試圖解釋超導(dǎo)機(jī)理的同時(shí),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。聞海虎介紹,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(lèi)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(duì)高溫超導(dǎo)不抱太大希望的時(shí)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(lèi)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(shuō)明的是,這里的‘高溫’也只是一個(gè)相對(duì)的概念。實(shí)際上,目前已經(jīng)進(jìn)入實(shí)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(yuǎn)低于室溫,需要液氮作為制冷劑運(yùn)行?!备疖婏崗?qiáng)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(gè)新的超導(dǎo)體系,并嘗試通過(guò)化學(xué)元素?fù)诫s、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(jì)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?!奔爵斞a(bǔ)充說(shuō),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(biāo)。如果室溫超導(dǎo)材料出現(xiàn),那么制冷成本會(huì)更低,室溫超導(dǎo)材料就會(huì)更容易推廣。”聞?;⒄f(shuō)。
葛軍飴表示,室溫超導(dǎo)并不是一個(gè)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(dá)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(shí)驗(yàn)至今仍無(wú)法被其他實(shí)驗(yàn)室重復(fù)。2020年迪亞斯等人報(bào)道的高壓下的室溫超導(dǎo)也因?yàn)閿?shù)據(jù)可靠性存疑以及實(shí)驗(yàn)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(bào)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(rèn)為。
未來(lái)將如何實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)
由于迪亞斯此次公布的成果降低了實(shí)驗(yàn)所需壓力,因此世界各地的很多實(shí)驗(yàn)室都具備重復(fù)試驗(yàn)的條件。
3月15日,聞海虎團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9個(gè)作者、長(zhǎng)達(dá)16頁(yè)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(dāng)?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(jìn)行合成,得到了镥氮?dú)洳牧稀!甭労;⒄f(shuō)。
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(tuán)隊(duì)隨即在6萬(wàn)個(gè)大氣壓以下的不同壓力中,對(duì)該材料電阻進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)溫度低至10K時(shí)都沒(méi)有超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí),他們也進(jìn)行了仔細(xì)的磁化測(cè)量,發(fā)現(xiàn)沒(méi)有超導(dǎo)所需的抗磁信號(hào)?!斑@些發(fā)現(xiàn)足以說(shuō)明我們制備出來(lái)的與迪亞斯團(tuán)隊(duì)制備的類(lèi)似樣品中,沒(méi)有近常壓的室溫超導(dǎo)電性?!甭労;⒄f(shuō)。
季魯也認(rèn)同這一結(jié)論。“聞?;F(tuán)隊(duì)將氮摻雜氫化镥材料置于1GPa—6GPa的壓強(qiáng)環(huán)境下,確實(shí)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(lái)應(yīng)該是材料結(jié)構(gòu)的變化?!彼f(shuō),這種變化可以認(rèn)定為一種相變,但應(yīng)該不是超導(dǎo)相變。因此,針對(duì)這種截然相反的結(jié)果,有兩種解釋——要么是迪亞斯的實(shí)驗(yàn)條件更加苛刻,要么是迪亞斯團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)解讀有明顯錯(cuò)誤。
“其實(shí)常壓下室溫超導(dǎo)材料的實(shí)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?!甭労;⒔榻B,比如沿著原來(lái)銅氧化物超導(dǎo)的方向,也有可能實(shí)現(xiàn)常壓下的室溫超導(dǎo),這也是國(guó)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(rèn)為,實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)的路還很遙遠(yuǎn)。就如同距離高溫銅氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)過(guò)去了30余年,但目前應(yīng)用最廣泛的實(shí)用化超導(dǎo)體仍然是20世紀(jì)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(lèi)的低溫超導(dǎo)體。
聞?;⒈硎荆覝爻瑢?dǎo)是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。同時(shí),我國(guó)也在積極推進(jìn)低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用進(jìn)程,取得了較多進(jìn)展。在低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用上,我國(guó)已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(guó)科學(xué)家在目前國(guó)際上最看好的鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域,也作出了許多貢獻(xiàn)。
“如果能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)磁場(chǎng)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(jí)加速器,能大大降低可控核聚變成本,應(yīng)用前景廣闊。”聞?;⒄f(shuō)。(科技日?qǐng)?bào))
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