超导材料
要说物理学最大分支——凝聚态物理最容易“上头条”的题目,高温超导无论如何可算其一。世界上任何角落的科学家宣称在此方面有所突破,消息不仅✅会传遍科学界,还会成为百姓群众街谈巷议的热点——当然,数据不要造假。如果像2023年那位美国科学家一样材料没造出却造了乌龙,也会成为传世笑柄。
今年2月,一支由国家最㊣高科学技术奖获得者薛其坤院士领衔的中国科学家团队,宣布发现常压下镍氧化物的高温超导电性。这一登上《自然》的成果,是国际物理学界交口称赞的高温超导研究最新突破。那么,中国科学家们的贡献,到底有多神奇?高温超导,这次“高”在哪里?
想象一下,有一根神奇的电线,日常输送电流,基本没有发热或者损耗能量的✅情况,甚至可以一直保持电流的流动。这听起来是不是有点像魔法?其实,这就是超导现象的写照。关键在于,它居然可以传递能量不✅打折扣!
时间回到百余年前的1911年,荷兰物理学家昂内斯在实验室里意外发现,当他把汞冷却到约4K(“K”为热力学温度单位“开尔文”,4K=-269.15℃)时,汞的电阻突然消失,这意味着电流可以在其中毫无阻碍地流动,就像在光滑的冰面上滑行一样。昂内斯兴奋地将这种现象命名为“超导”,从此,人类开启了对超导世界✅的探索。
然而,超导现象刚被发现时,就像一处冰封的宝藏,虽然诱人,但却㊣难以触及。因为要让材料达到超导状态,必须将其冷㊣却到极低㊣的温度,这需要依赖昂贵且稀缺的液氦来实现。液氦制冷成本极高,使得超导技术后续几十年间难有突破,科学家实现的超导温度一直在23K(-250℃)以下徘徊,仿佛被看不见的魔咒封印。
直到1986年,两位欧洲科学家意外发现铜氧化物在相对“高温”(-238℃)下就能实现超导。这个温度虽然㊣仍然很低,但已经可以用更便宜的液氮(-196℃)来实现制冷了。
同㊣年年底,中国科学家赵忠贤带领团㊣队合成出一系列铜基超导材料,其中两个样品的超导转变温度分别为48.6K和46.3K,这是当时世界上的最高纪录。
更重要的✅是,铜氧化物超导体的发现,为超导技术的实用化铺平了道路。毕竟,10K左右的温度提升,也足以让大家对高温超导的前景恢复信心。这一发现如同在寒冷的冰原上点燃了一把火超导材料的特性,让超导技术打破“低温封印”融入生活世界有了希望。
经过数十年探索,科学家相对熟悉的高温超导材料家族已经有了三位主要成员:铜基□□、铁基㊣和镍基。如前✅文所述,铜基□□□□、铁基都已在常压下跨过破40K的超导效果界标——“麦克米兰极限”,薛其坤院士团队的最新成果,让镍基材料追上了两位前辈,同样冲破了“麦克米兰极限”封锁线。
近年来,镍基超导以其✅丰富应用潜力,已成为超导研究“兵家必争之地”,各家用兵路线不同,在学界同仁看来,薛其坤院士团队其实选了一条险✅途。
为何这么㊣说?相较于同期㊣发表类似结果的斯坦福团队“大力出奇迹”的脉冲激光沉积技术,中国科学家选择的是极其精巧的强氧化原子逐层外延技术。顾名思义,这一路径不㊣可避免✅地要遭遇极强烈的氧化反应,如同攀登一座微观世界中不断喷发的火山。薛其坤院士团队要挑战的,还不止登顶火山而已,更要在火山口上“绣花”。
说是“绣花”,其实还低✅估了研究的难度,不如说是在纳米尺度上“搭原子积木”。为了获得最理想的研究材料——数纳米厚的超薄膜,团队用去1000多片样品,才摸索出一套“原子铆钉术”,在极强氧化环境下,也固定住了原本需要极高压㊣才能令其稳定的原子结构,进而实现原子层逐层稳稳生长。
无需高压,电磁输运仍能得到超导两大关键指标“零电阻”与“抗磁性”的理想结果,中国科学家终于将镍基高温超导材料展示在世人面前。
值得骄傲的是,中国科学家本次突破,不仅刷新了超导材料家族图谱,更是在镍基体系中验证了高温超导的普适性,为解决高温超导机理的科学难题提供了全新突破口超导材料。也就是说,这次发现,蕴藏着修订物理理论教科书的希望。
零电阻□□、完全抗磁性,超导体的这两个重要特性,令其在电力传输□□□、磁悬浮技术□□□□、粒子加速器□□、医疗成像设备以及核聚变等领域有着广泛的应用前景。
尽管高温超导技术已经逐步取得突破,但科学家们的目标远不止于此。他们一直在寻找常压室温超导体—㊣—也就是在常温常压下就能实现超导的材料。如果发现了这等神奇的超导体,也就意味着超导技术将彻底摆脱低温的“封印”,真正走进千家万户。
超导世界有何不同?城市电网将由超㊣导电缆织成“能源互联网”,彻底告别停电;磁悬浮列车行驶于超导轨道,追风逐电的速度将给旅客带来更多便捷;脑机接口可以借助超导量子传感器解读神经信号,距离意念控制成为现实又近了一步……
人类用了百年时间,将超导温度从-269.15℃提高了一百多度。每前进一度,都意味着对物质更深刻的理解和对能量更精妙的掌控。超导世界之门,还在等待着推开它的有心人。