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纳尼,室温超导体来了!? 精选

已有 17098 次阅读 2016-7-6 08:44 |个人分类:超导小时代|系统分类:科普集锦|关键词:超导,室温超导,物理,量子| 超导, 量子, 物理, 室温超导

图1. 科幻电影《阿凡达》里的室温超导体“Unobtanium”


1.    室温超导——科幻 or 现实?

在科幻电影《阿凡达》里,人们为了开发潘多拉星球上的宝贵资源,创造了人脑遥感控制阿凡达试图和那威人“和平共处”,然而不幸的是,强烈的利益冲突最终还是导致了大战爆发,人类在不惜一切代价摧毁外星人家园的同时损失惨重。地球人大老远跑到外星球去,究竟挖什么宝贝呢?电影里揭秘道,是一种叫做“Unobtanium”的地球上没有的神奇室温超导矿石。这室温超导体具有异常强大的力量,以至于依赖潘多拉星磁场就足以悬浮其含有这类矿石的一座座“哈利路亚”大山,其经济价值无可估量[1]

和平主义者也许会想:如果在地球上就找到了或者人工合成了室温超导体,那么或许就没必要远征宇宙深入,避免和外星人发生流血冲突了。

室温超导体,真的可以有?

2016年三月和六月,著名的科研论文预印本网站arXiv.org先后贴出了两篇论文,号称发现了373 K 的超导体和350 K的超导迹象[2][3]。从科学定义上,一般认为300 K就是室温(0 ℃相当于273 K300 K则相当于27 ℃)。因此,373 K 350 K都高于室温,这是否意味着室温超导体就此被发现了呢?

对于不做超导研究的公众来说,部分是将信将疑,部分是欢呼雀跃。

等等,先别高兴的太早!

在国内外绝大多数超导科研者眼中,这两篇论文纯属YY,根本不值得一看,且不论其真假与否。换句话说,在任何超导国际会议中,没有一个人会提这茬。

为什么科学家对室温超导体的发现,会反映如此冷淡呢?

我们下面就从超导的探索历史来窥见一二。




图2. arXiv上关于室温以上超导电性的报道


2.    超导,是个啥玩意儿?



图3. 超导的零电阻效应和迈斯纳效应(完全抗磁性)


要说室温超导是啥,先得回答什么是超导。从字面意思上,超导就是超级导电之意。超导体导电能力有多强?在一定温度(定义为超导临界温度)之下,超导体电阻为零[4]。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来,但是精确实验表明,超导材料的电阻率要小于< 10-18 Ω ∙ m,要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等(也是目前电线的主要成分)要整整低了10个数量级!这意味着,在闭合超导线圈中感应出1 A的电流,需要近一千亿年才能衰减掉,比我们宇宙的年龄(138 亿年)还要长!因此,我们有充分的理由认为超导态下电阻为零[5]。第一个超导体——金属汞,由荷兰科学家卡末林•昂尼斯等人在1911年发现,并因此获得了1913年诺贝尔物理学奖[6]

形成神奇的零电阻态同时,超导体还“修炼”成了另一种神奇的“金钟罩铁布衫之功”——可以把体内的所有磁力线排出外面,体内的磁感应强度也为零!无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部,超导体具有“完全抗磁性”。该效应于1933年被德国科学家沃尔特•迈斯纳发现,又被称为“迈斯纳效应”[7]

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

重要事情说三遍!!!

从微观上来说,超导态是电子的一种宏观量子有序态。超导的出现实际上是电子群体“手牵手”配对并凝聚的过程。尽管我们习惯认为两个带负电的电子永远因为库仑作用而相斥,但是,倘若它们因为某种间接作用而发生微弱的相互吸引呢?那么,原本是冤家的电子将各自寻找合适的伴侣而两两配对,电子对们将在量子力学的效应下实现“步调一致”的行走模式,最终集体凝聚到了稳定的低能组态——超导态。因为配对电子动量相反,所以当其中某个电子受到散射发生能量损失,另一个反方向运动的电子就会受到类似散射但发生能量增加,电子对保持能量不损失的状态继续运动,出现宏观零电阻态。而电子对们的集体抱团行为,形成了良好屏蔽效应,磁力线也很难渗透到内部,也就有了完全抗磁性[8]



图4. 快速、稳定、高效的超导磁悬浮列车


3.    超导有何用?

凡是用得上电的地方,都有超导的用武之地。

超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗,超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势,是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。欧洲大型强子对撞机上的9300多个超导磁体,就是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常规磁悬浮技术相比,超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全,是未来交通工具的重要明星之一。

超导还具有许多复杂有趣的微观量子效应,利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪,对外磁场感应极其敏感,是目前世界上最灵敏的磁测量仪器,仅受到了量子力学基本原理的限制。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特,是未来量子计算中最重要的量子单元,基于量子力学原理实现的高性能计算,将掀起一场新的信息革命。

超导材料阻抗性能好,利用超导体替换常规金属做微波器件,具有信噪比高、带边抑制明显、带宽控制灵活等多个优势。也许您使用的智能手机,其通讯基站就用到了超导滤波器,这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通讯、航空航天等领域大有所用[9]

4.    超导材料探索之路

超导长期以来都是基础物理研究中的一个重要前沿领域。自191148,第一个超导体——金属汞被发现存在4.2 K的超导电性以来,物理学家发现了大量单质和合金超导体,但是它们的超导临界温度都很低[4]75年过去了,探索到的最高临界超导温度的化合物是Nb3Ge ,为23.2 K

如此低的超导温度意味着,实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境。这导致超导应用的成本急剧增加,维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值。寻找更高临界温度,特别是液氮温区(77 K)以上的可实用化超导材料,成为材料探索的重要目标。1986年瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35 K的超导[10]。在中美等国科学家的推动下,该记录在五年内不断刷新,于1994年左右创造了常压下135 K、高压下 164 K的临界温度新记录[4][11]。然而,铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷,缺乏柔韧性和延展性,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热,应用起来存在许多技术难度。而且,其物理性质极其复杂,难以被现有理论框架解释。寻找新型的高温超导体,势在必行。

2008223日日本科学家报道了铁砷化物体系中存在26 K的超导电性[12]。在中国科学家的努力下,这类材料的超导临界温度很快就突破了40 K,在块体材料中实现了55 K的高温超导电性[13]。新一代高温超导家族——铁基超导就此宣告发现。只是,这类超导体大都含砷或碱金属,不仅有毒而且对空气敏感,应用方面同样存在不少局限性。

高于40 K以上的超导体又被称之为高温超导体,铜氧化物和铁基超导体,是目前发现了仅有的两大高温超导家族[14]

尽管人们在单质金属、合金、氧化物、甚至有机物中都发现了超导电性,人们一直渴望寻找到室温下的实用超导体。关于室温超导的梦想,一直没有间断过!美国、中国、日本等国科学家都曾先后立项探索室温超导体,日本更是提出了寻找400 K以上超导体的远景目标。



图5. 典型超导材料发现的年代和临界温度[4]


5.    室温超导有可能实现吗?

寻找室温超导之路是十分艰难坎坷的,百余年来,无数材料科学家付出了许多心血。到近年来,几乎平均每个月都有新超导体被发现,这些超导体有的被后续重复实验证实,有的则无法重复出来,有的是乌龙事件,还有的是学术造假行为。

如前所述,判断一个材料是否超导体,必须同时具有零电阻效应和完全抗磁性两大特征,电阻不降到零或抗磁性很差都不能100%断定是超导。历史上,有多个“超导体”因为没有确切证据,而被科学家戏称为“可疑超导体”,简称USO (Unidentifided Superconducting Objects),和传说中的UFO有的一拼。这些USO中,有的宣称达到了200 K以上甚至 400 K的超导电性,却从未被更多的科学实验检验过。



图6.一些"可疑超导体"


为了谋取个人利益,一些科研工作者甚至铤而走险,不惜造假发论文。例如一位叫Jan Hendrik Schön的德国人,就曾在2001年间疯狂灌水,宣称在C60等材料中发现52 K以上的高温超导电性以及其他一系列的电子器件应用,其论文产出效率达到了每8天一篇的速度!最终被科学家发现他几乎所有论文均造假,Science杂志于2002年撤稿8篇,Nature杂志于2003年撤稿7篇,其他学术期刊也纷纷撤稿数十篇。他的母校实在看不下去,把他博士学位撤销了,尽管后来双方又反复打官司,最终在20119月终审决定还是撤销学位。这桩科学丑闻轰动了全世界,他本人也被成为“物理学史上50年一遇的大骗子”。

打开谷歌(这种事情不能靠度娘了),键入“room temperature superconduct”,你将得到661000个搜索结果。可见,人们对室温超导体的关切程度之热。英文维基百科同样给出了几个“室温超导体”的例子,其实2000200320122014等年里都有正式的科研论文发表,号称寻找到了“室温超导体”。一些网站上经常曝出各种高临界温度的超导体,如室温下的铜氧化物超导体、室温下的金属合金、700 K超导的碳纳米管等等。然而,这些实验报道,无一例外,都从未被重复实验确认过。当然,更多的是,这些报道的实验数据都极其粗糙甚至低劣,难以被任何一个有科学良知的人信服。



图7.几个报道的所谓“室温超导体”


可见,尽管大部分科学家都坚信室温超导体的存在,但真正要100%确认一个室温超导体,却从来不是件容易的事儿。

和实验物理学家的小心谨慎不同,理论物理学家的预言往往比较大胆。在不违反已知物理原理基础上,理论预言可能的室温超导体还是不少的,其中典型代表之一是金属氢。我们知道,氢在常压下为气体,倘若不断施加高压,氢会被液化,而后固化,再进一步压缩氢原子之间的间距,最终会变成金属化的氢。金属氢具有非常高的热振动能量,可以提供高温超导电性形成所需要的媒介,很可能就是室温超导体。令实验物理学家郁闷的是,他们不断努力改进实验装置,通过金刚石对顶压砧把压力提高到了325 万个大气压,固态金属氢终于在2015年被成功实现[15]。如此高的压力,已经接近地心内部压力(360 GPa)了,这时氢分子早已被打断成了单个氢原子,但却没有发现超导电性!

十分有趣的是,包括中国的研究人员在内的科学家还从理论上预言氢的化合物H2S-H2体系在高压下可能实现191 K的高温超导,将突破铜氧化物中164 K的临界温度记录。同在2015年,德国科学家A.P. Drozdov等人宣称在硫化氢中发现了203 K的超导电性,距离300 K的室温,几乎一步之遥。只是,条件同样非常苛刻——要在200万个大气压下(200 GPa)才可以。实验技术难度非常之大,要在低温状态下把极其容易爆炸的硫化氢通入金刚石压砧装置,还要能够在超高压下测量其电阻和磁化率。论文于2014121日贴到预印本网站arXiv,历经半年多后才投稿到了Nature杂志上[16]。据说,为了避免前车之鉴,这半年时间内,Nature杂志预先请了一个专家团到德国的实验室去,要求查看所有的原始实验记录,并实地重复出实验结果。在保证零电阻结果可靠性之后,专家团还要求他们进行了完全抗磁性的测量,最终确立了200 K以上超导的准确性,才允许投稿,并且花了近一个月时间审稿才被接收。后来,论文中的若干现象被日本和中国科学家重复实验证实,科学界才慢慢接受这个结果,在此之前,几乎所有人对Drozdov的学术报告都反应显得冷淡。200 K超导,看上去很美,但在如此高压下却难以实用。而且,我们熟知的臭鸡蛋味硫化氢H2S,在两个金刚石对顶砧中间承受如此巨大的压力,已经变成新的H3S结构。话说压个屁屁就超导,屁也不是那个屁了。

至此,寻找常压下的实用型室温超导体,仍然是个梦。



图8.硫化氢在高压下超导和金属氢的高压制备


6.    是室温超导来了,还是狼来了?

2016年是高温超导发现30周年,随着铁基超导、硫化氢超导等的被发现,寻找室温超导似乎已经水到渠成。新的室温超导体仿佛已经向人类发出了召唤,同时却像犹抱琵琶半遮面。

201634日,一个叫Ivan Zahariev Kostadinov的人在arXiv贴出了一篇题为“373 K 超导体”的论文[3]。令人奇怪的是,作者的单位就叫做“私密研究所-373 K超导体”,一查才发现原来是他注册了一个公司就叫做“373 K超导体”!更令人狐疑的是,通篇论文未提该“超导材料”的化学式或者合成方式;尽管都有零电阻和抗磁性的实验数据,而且这些数据“看起来特别真实”,数据质量却非常糟糕,不少所谓“磁悬浮”的图片都用来当做证据之一。或许他有理由说正在申请专利,准备挣大钱,不方便透露配方;或许他有理由说这只是初步的实验结果或部分可以拿出来的结果。但在绝大多数专业从事超导研究人员看来,这不是一篇合格的学术论文,尽管笔者多年前多次在正式期刊上发表了多篇学术论文,但不足以说明这篇论文的真实性。加上多年前的多个乌龙和造假事件,在这种虚晃一枪的报道面前,又有何种理由相信呢?




图9.arXiv:1603.01482和arXiv:1606.09425报道的“室温以上超导实验证据”


无独有偶,就在2016630日,又有德国的Christian E. Precker等人在arXiv贴出了关于石墨晶体中存在350 K超导迹象的论文[4]。相比3月份的论文,这篇论文数据显得更为详实系统,似乎预示着室温超导的发现不远了。这次不同是,他们详细指出样品来自巴西某矿产的石墨晶体(是不是广告另说)。理论上,石墨烯中是否存在室温超导电性,一直以来是争议的一个焦点之一。因为石墨烯中电子运动速度极快,甚至需要用相对论化的狄拉克方程来描述,而不是简单的薛定谔方程,那么一旦实现超导,就可能意味着很高的临界温度。不过实验上并不是那么顺利,在碱金属掺杂的少层石墨烯中仅发现4.5 K的超导电性,在碱土金属掺杂的石墨中最高发现11.5 K的超导电性,距离室温超导都相去甚远!不过,这次论文作者说,350 K超导迹象是在室温300 K之上,以前大伙儿只是没注意到如此高温度而已。细读这篇论文,就会发现结论并非那么可靠,——因为所有的实验数据就没有出现真正意义上的零电阻态,完全抗磁性也没有!作者所谓的“超导证据”,只是电阻在350 K存在一个轻微的下降,并会响应磁场的变化,这种可能性其实有很多很多,完全可以和超导没有半毛钱关系!

查阅以前的文献可以发现,早在2013118日同一个德国研究组的T. Scheike等人就报道过了石墨烯中400 K的“超导迹象”[17]。据德国其他超导研究人员反映,没有一个人相信他的结果,而且大伙儿都懒得去相信他。如今再整一出,估计结果还是一样——信不信由你。

看来,与其说2016年里室温超导来了,还不如说是狼来了。

室温超导之路,漫漫其修远兮。

期待真的有室温超导被发现的哪一天。或许那时,我们可以在家里舒舒服服地躺在室温超导磁悬浮沙发上休息,也可以午饭后坐上时速3000 公里以上的真空管道超导磁悬浮列车去巴黎喂个鸽子,还可以在办公室随时弄个核磁共振成像监测身体内部的变化。

毕竟,梦想还是要有的,万一哪天被实现了呢?


图10.未来概念家居——室温超导磁悬浮沙发


参考文献:

[1] 沈文庆,封东来主编,十万个为什么,第六版物理卷,少年儿童出版社,上海(2013).

[2] I. Z.Kostadinov, arXiv:1603.01482.

[3] C.E. Precker et.al., arXiv:1606.09425.

[4] 张裕恒,超导物理,中国科学技术大学出版社,合肥(1997.

[5] 章立源,超越自由:神奇的超导体,科学出版社,北京(2005

[6] H. KamerlinghOnnes, Leiden Comm. 120b, 122b,124c(1911).

[7] W.Meissner and R. Ochsenfeld, Naturewissenschaften 21, 787 (1933).

[8] J.Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer, Phys.Rev. 108, 1175 (1957).

[9] 罗会仟, 周兴江, 神奇的超导, 现代物理知识,24(02), pp 30-39, (2012).

[10] J.G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B 64,189 (1986).

[11] 赵忠贤等,Ba-Y-Cu 氧化物液氮温区的超导电性,科学通报32, 412 (1987).

[12] Y.Kamihara et al., J. Am.Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

[13] Z.-A. Ren et al., Chin.Phys. Lett. 25, 2215 (2008).

[14] J.Robert Schrieffer and James S. Brooks, Handbook of High-Temperature Superconductivity,Springer (2007).

[15] P. Dalladay-Simpsonet.al., Nature 529, 63–67 (2016).

[16] A.P. Drozdov et al., Nature 525, 73 (2015).

[17] T.Scheike et al., Carbon 59, 140-149 (2013).

【致谢】

本文主要受知社学术圈、科学网的提醒,以最近发生的“室温超导事件”做一个点评,文章首发于《科学大院》微信公号,欢迎转发(转发请注明出处)!

本文内容得到以下人员帮助,在此一并致谢:

科学网博主姬扬老师,三月关于373 K超导的博文,“谈谈室温超导体(373K Superconductor)”;

物理所超导材料探索研究组任治安老师学术报告,“比想象更普遍——超导之材料篇”;

朋友圈里来自歌德大学的默罕默德、浙江大学路欣等若干朋友的精彩点评;


作者注】本文主体内容发布在中科院官方科普微信公众号“科学大院”,欢迎扫描以下二维码关注!





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