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室温超导问世,常温常压的超导体还会远吗?

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最近,物理界发生了一件震惊众人的大事。

闻听此言,吃瓜群众连手中的瓜都惊掉了。

为什么这件事情引起如此大的关注呢?这要从超导体的应用说起。

所以电阻会消失的对吗?

超导体:是的

根据物质的导电性能,可以将其分为导体、半导体和绝缘体。

在导体中,存在大量可以自由移动的带电粒子,他们可以在外电场的作用下自由移动,形成电流。

导体中自由的电子 | 图片来源

在绝缘体中,电子则被束缚在原子周围,不能自由移动。

半导体则介于二者之间。

自由如导体,电子在运动的过程中也会受到原子的散射,产生电阻。

当温度降低到一定程度时,一些物质会进入一种奇妙的状态——超导态。此时电阻消失了,电子在其中无阻碍地运动。这个温度称为超导转变温度。

这个特性使得超导在应用方面大有作为:没有电阻就不会产生焦耳热,因此可以应用于大规模集成电路,建设超导计算机;能够承载较大电流而不会有电流损耗,可以制作高压输电线、超导电机等。

超导电机|图片来源

除此之外,超导体还有两个特征:完全抗磁性和约瑟夫森效应。

普通导体处于磁场中时,其体内会产生一个感应磁场。而处于超导态的物质,无论外磁场如何变化,其体内的磁感应强度一定为零。

我们熟悉的磁悬浮列车就利用了这个特性超导线圈可以承载很大的电流,形成强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时,由于完全抗磁性,超导体内部会产生一个相反的磁场,使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向,可以使列车保持向前运动。

超导电力悬浮系统|图片来源

约瑟夫森效应是指两个超导体间隔很近,中间可以视为绝缘层,当距离近至原子尺度时,超导体中的电子对就可以越过绝缘层,产生超导电流。利用约瑟夫森效应可以制作超导量子干涉仪,用于测量非常微小的磁信号。

既然处于超导态的材料有这么多用途,为何没有广泛应用于生活中呢?

因为只有在特定温度之下,材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低,往往为几十开尔文(大约零下二百多度!),这在日常生活中非常难达到,阻止了超导材料的大规模应用。

所以大家应该明白,为什么室温超导能让那么多人心中振奋了吧!

高压室温超导

是如何实现的?

回到这个举世瞩目的成果。本次出现高温超导的材料为碳(C)、氢(H)和硫(S)的化合物,其电阻随温度变化的曲线如下图:

R-T曲线 | 图片来源

由曲线可以分析出,此种化合物仍属于常规超导体。

超导体分为常规超导体和高温超导体,其中常规超导体中电子-声子相互作用较弱,可以用BCS理论解释;高温超导体(主要包括氧化物超导体和铁基超导体),则不能用BCS理论解释。

BCS理论认为,超导态物质之所以有完全导电性,是因为低温下,电子中自旋、动量都相反的可以两两结合成对,称为Cooper(库珀)对。Cooper对在晶格中的运动是无损耗的。

那么,有读者可能会提出疑问了。电子和电子之间明明同性相斥,怎么能结合成对呢?

这是由于电子间不是直接相互作用的,而是通过晶格振动传递相互作用的:带负电的电子在运动时,会对附近带正电的晶格粒子产生吸引作用,而这些被吸引的很多带正电的晶格粒子,会异性相吸吸引来其他带负电的电子。

怎么才能使电子更容易形成Cooper对呢?当然是一个电子吸引来的晶格粒子越多越好啦!而其中最轻的粒子,也就是元素周期表的第一位:氢(H),成为最佳候选人。

固体氢的熔点为14K(约-259℃),而且低温并不超导。科学家们预测,在高压下,固体氢会由绝缘态变为金属态。由于H原子很轻,因此金属氢形成Cooper对的温度,即超导转变温度也应该很高,更可能接近室温,但所需的高压也非常高——高到现有的设备难以满足。而一些含H的化合物,则可以在目前技术水平可达到的高压下,在室温形成超导体。如2019年,德国马普所研究的氢化镧(LaH10)就可以在170GPa(170万个大气压)的高压下,实现250K(约-23℃)的超导转变温度。而本次使用的C、H、S化合物则取得了进一步突破,在267GPa(267万个大气压)的高压下,实现288K(约15℃)的超导转变。值得一提的是,此前我国科学家(吉林大学崔田、马琰铭团队)也曾经理论预测过本材料的高温超导电性。

虽然解决了温度这一难题,但又出现了高压这个难题,此次的室温超导是在267GPa的高压下达成的,这是什么概念呢?地球地心处的压力约为300GPa,267GPa已经十分接近地心压力了。这么高的压力,全世界也只有很少的实验室可以达到。

那么,这项研究是不是没什么实际意义呢?非也!这个实验可以给我们带来的启发非常非常多:启发我们思考常规超导体和高温超导体的关系、超导电子配对的机制、未来寻找新材料的方向、应用超导技术的新领域等等。而且,它还给我们描述了一个美好的未来,一个超导机理的谜团解开,真理现于世间的未来;一个常压室温超导成为现实、超导技术大范围造福于民的未来。毕竟梦想还是要有的,万一真的实现了呢?

图片来源

出品:科普中国

制作:米老猫(中科院物理所)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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