室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

最近,物理界發生了一件震驚眾人的大事。聞聽此言,吃瓜群眾連手中的瓜都驚掉了。為什麼這件事情引起如此大的關注呢?這要從超導體的應用說起。所以電阻會消失的對嗎?超導體:是的。

室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

根據物質的導電性能,可以將其分為導體、半導體和絕緣體。在導體中,存在大量可以自由移動的帶電粒子,他們可以在外電場的作用下自由移動,形成電流。

室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

導體中自由的電子 | 圖片來源

在絕緣體中,電子則被束縛在原子周圍,不能自由移動。

半導體則介於二者之間。

自由如導體,電子在運動的過程中也會受到原子的散射,產生電阻。

當溫度降低到一定程度時,一些物質會進入一種奇妙的狀態——超導態。此時電阻消失了,電子在其中無阻礙地運動。這個溫度稱為超導轉變溫度。

這個特性使得超導在應用方面大有作為:沒有電阻就不會產生焦耳熱,因此可以應用於大規模集成電路,建設超導計算機;能夠承載較大電流而不會有電流損耗,可以製作高壓輸電線、超導電機等。

室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

超導電機|圖片來源

除此之外,超導體還有兩個特徵:完全抗磁性和約瑟夫森效應。

普通導體處於磁場中時,其體內會產生一個感應磁場。而處於超導態的物質,無論外磁場如何變化,其體內的磁感應強度一定為零。

我們熟悉的磁懸浮列車就利用了這個特性超導線圈可以承載很大的電流,形成強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時,由於完全抗磁性,超導體內部會產生一個相反的磁場,使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向,可以使列車保持向前運動。

室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

超導電力懸浮系統|圖片來源

約瑟夫森效應是指兩個超導體間隔很近,中間可以視為絕緣層,當距離近至原子尺度時,超導體中的電子對就可以越過絕緣層,產生超導電流。利用約瑟夫森效應可以製作超導量子干涉儀,用於測量非常微小的磁信號。

既然處於超導態的材料有這麼多用途,為何沒有廣泛應用於生活中呢?

因為只有在特定溫度之下,材料才會進入超導狀態。這個臨界溫度非常低,往往為幾十開爾文(大約零下二百多度!),這在日常生活中非常難達到,阻止了超導材料的大規模應用。

所以大家應該明白,為什麼室溫超導能讓那麼多人心中振奮了吧!

高壓室溫超導是如何實現的?

回到這個舉世矚目的成果。本次出現高溫超導的材料為碳(C)、氫(H)和硫(S)的化合物,其電阻隨溫度變化的曲線如下圖:

室溫超導問世 常溫常壓的超導體還會遠嗎?

R-T曲線 | 圖片來源

由曲線可以分析出,此種化合物仍屬於常規超導體。

超導體分為常規超導體和高溫超導體,其中常規超導體中電子-聲子相互作用較弱,可以用BCS理論解釋;高溫超導體(主要包括銅氧化物超導體和鐵基超導體),則不能用BCS理論解釋。

BCS理論認為,超導態物質之所以有完全導電性,是因為低溫下,電子中自旋、動量都相反的可以兩兩結合成對,稱為Cooper(庫珀)對。Cooper對在晶格中的運動是無損耗的。

那麼,有讀者可能會提出疑問了。電子和電子之間明明同性相斥,怎麼能結合成對呢?

這是由於電子間不是直接相互作用的,而是通過晶格振動傳遞相互作用的:帶負電的電子在運動時,會對附近帶正電的晶格粒子產生吸引作用,而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子,會異性相吸吸引來其他帶負電的電子。

怎麼才能使電子更容易形成Cooper對呢?當然是一個電子吸引來的晶格粒子越多越好啦!而其中最輕的粒子,也就是元素周期表的第一位:氫(H),成為最佳候選人。

固體氫的熔點為14K(約-259℃),而且低溫並不超導。科學家們預測,在高壓下,固體氫會由絕緣態變為金屬態。由於H原子很輕,因此金屬氫形成Cooper對的溫度,即超導轉變溫度也應該很高,更可能接近室溫,但所需的高壓也非常高——高到現有的設備難以滿足。而一些含H的化合物,則可以在目前技術水平可達到的高壓下,在室溫形成超導體。如2019年,德國馬普所研究的氫化鑭(LaH10)就可以在170GPa(170萬個大氣壓)的高壓下,實現250K(約-23℃)的超導轉變溫度。而本次使用的C、H、S化合物則取得了進一步突破,在267GPa(267萬個大氣壓)的高壓下,實現288K(約15℃)的超導轉變。值得一提的是,此前我國科學家(吉林大學崔田、馬琰銘團隊)也曾經理論預測過本材料的高溫超導電性。

雖然解決了溫度這一難題,但又出現了高壓這個難題,此次的室溫超導是在267GPa的高壓下達成的,這是什麼概念呢?地球地心處的壓力約為300GPa,267GPa已經十分接近地心壓力了。這麼高的壓力,全世界也只有很少的實驗室可以達到。

那麼,這項研究是不是沒什麼實際意義呢?非也!這個實驗可以給我們帶來的啟發非常非常多:啟發我們思考常規超導體和高溫超導體的關系、超導電子配對的機制、未來尋找新材料的方向、應用超導技術的新領域等等。而且,它還給我們描述了一個美好的未來,一個超導機理的謎團解開,真理現於世間的未來;一個常壓室溫超導成為現實、超導技術大范圍造福於民的未來。畢竟夢想還是要有的,萬一真的實現了呢?

來源:cnBeta