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室温超导,指日可待

已有 5822 次阅读 2019-3-15 07:41 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 超导体, 高压物理, 计算物理, BCS理论


国内一些媒体以及微信公众号文章,误以为去年(2018年)3月曹原以第一作者身份发表在《自然》杂志上的两篇文章[Nature 556, 43-50; 80-84, (2018)],解决了困扰物理学界一百多年的难题:实现室温超导。实际上曹原及其合作者发现的石墨烯超导体,其转变温度只有1.7 K,远远低于室温293-298 K (20-25 摄氏度)。在资讯发达的今天,写作者只要上网查一下文献,或者咨询一下这方面的专家,不难避免这种误导性错误。

 

曹原等人的发现,被评为Nature杂志的201810大发现之首,并非由于这种材料的超导转变温度创了新记录、甚至接近了室温,而是这个发现有可能导致解决1986年发现的铜氧化物的超导机制之谜。这是因为石墨烯超导体和铜氧化物超导体令人惊异的相似之处:超导态和Mott绝缘态非常靠近——非常规超导体的最典型标志。

 

常规超导体可以用BCS理论解释:一对本来相互排斥的电子,由于电子和晶格震动(声子)的相互作用而束缚在一起,其能量比费米能略低。一对束缚在一起的电子,也叫“库伯对”,形成玻色子,可以同时占据宏观数量的相同量子态,从而实现超导。而单个电子是费米子,每个量子态只能被最多一个电子占据。

 

非常规超导体,主要是铜氧化物,其超导机制目前尚不清楚——不知道库伯对在铜氧化物里是由何种机制形成的。这些“电子强关联”陶瓷材料异常复杂,理论家难以简化得到一个像BCS理论那样清晰的物理模型。而石墨烯超导体结构简单,如果超导机制和铜氧化物的一致,那么理论家就有可能建立相关模型,得出超导机制,解决这个困扰物理学界30多年的难题。如果非常规超导机制清楚了,那么发现常温超导体就多了理论指导,大大增加了发现的可能性。

 

这是曹原等人文章的重大科学意义。但最近的理论和实验都发现,石墨烯超导体的某些性质和现象,更像常规超导体。即使石墨烯超导体的发现,导致解决非常规超导体的机制,距离发现室温超导体,依然还有较为漫长的路程。

 

自从19114月昂内斯发现水银的电阻在4.2 K 忽然消失,提高超导转变温度、寻找室温超导体一直是物理学的中心研究课题之一。这个领域产生了8位诺奖得主,可谓科研的金矿,这是由于超导体的巨大商业应用前景,更是因为超导现象本身的神奇,联通了物理学最大的两个分支:凝聚态物理和粒子物理。比如受BCS理论中“自发对称破缺”的启发,南部阳一郎将凝聚态物理的这个数学模型,成功地引入量子场论,发现亚原子物理学中的自发对称性破缺机制。

 

但从1911年到1985年,超导转变温度才提高到30 K。以这个极其缓慢的速度,达到室温的话,至少还需750年!那时好多物理学家认为,超导转变温度的极限,就是大约30 K。就在全世界物理学家对此非常沮丧的时候,Bednorz Müller发现了新型超导体:镧钡铜氧,转变温度“高”达35 K。随后在短短不到一年的时间里,钇钡铜氧被朱经武、吴茂昆发现,超导转变温度迅速提高到了92 K

 

1987年美国物理学会三月会议,上演了著名的“Woodstock of Physics”50多位科学家作了超导体最新进展的报告。这场科学马拉松,直到次日凌晨3时才结束。虽然铜氧化物的超导机制一直不太清楚,但这丝毫没有阻碍热情高涨的全世界物理学家的杰出想象力。他们大概将所有可能的铜氧化物都化合出来了,然后测量其超导性。1993年,铜氧化物(HgBa2Ca2Cu3O8+x)再次创造了超导转变温度的记录:133 K(常压),164 K(高压,31 GPa = 310,000 大气压)。

 

这个记录保持了整整22年。期间新型铁基超导体在2006被发现,但其转变温度一直相对比较低,最高仅有55 K,直到2014年,才由中国物理学家发现了转变温度达109 K的单层FeS薄膜。目前铁基超导体的超导机制也没有完全弄清,有些物理学家认为是BCS理论,而另外一些物理学家认为和铜氧化物相似。最近有物理学家甚至认为,铜氧化物也遵循BCS理论,只是“看上去”更复杂一些而已。真是这样的话,也许可以解释为什么曹原发现的石墨烯超导体,某些性质和铜氧化物类似,而另外一些性质又很像常规超导体。

 

就在同一年(2014年),吉林大学马琰铭教授的科研团队,通过密度泛函理论的第一原理计算,预测了硫化氢在100 GPa的高压下,会变成超导体,转变温度大约80 K。这个研究源自1968Ashcroft根据BCS理论,预测氢在极端高压下(几百个GPa),会变成金属,并且是转变温度非常高的超导体。具体转变温度有多高?需要多高的压强?Ashcroft1968年无法做精确计算。40年后,大量的第一原理计算表明,氢在大约400-500 GPa 时会变成金属态,而压强达到 500 GPa时,超导转变温度是356 K,在700 GPa 时是481 K

 

2017年,金属氢第一次被观测到,压强是495GPa,和理论预测相差不大。但在如此高压下测量超导性,非常困难。同时,理论估算超导转变温度不是很准确,需要一些设定的参数,这些参数直到最近十年才都可以通过理论计算得到。另一方面,根据BCS理论建立的Macmillan 公式,在大多数情况下会过(严重)高估计超导转变温度。比如理论预测金属锂在高压下的最高转变温度是60-80 K 之间,实际测量到的只有16 K 左右。如果知道了实验数值,理论物理学家可以调整参数和Macmillan公式,进而对类似材料的超导性作出更加精确的估算。

 

由于金属氢要求的压强实在太高,难以实现,物理学家和材料学家退而求其次,研究富氢材料,希望能够以“化学压强”取代(部分)物理压强。2014年吉林大学的这篇文章,就是沿着这个思路进行的科研。没想到2015年德国马普所科研人员的实验发现,硫化氢在90 GPa的高压下,超导转变温度居然高达203 K!这不仅创造了新纪录,而且大大提高了BCS理论的适用范围。物理学家们有理由相信,常规超导体也能是“高温超导体”、甚至是室温超导体。

 

这个超导转变温度的记录,去年被美国George Washington大学Hemley科研团队,以及测量硫化氢超导电性的马普所Eremets科研团队所打破。他们发现镧氢化物在170-185 GPa的高压下,超导转变温度是250-260 K,也就是说,在北极无需制冷就可以实现超导了。之前(2017年)Hemley和马琰铭的团队,都理论预测了镧化氢(LaH10)在200 GPa的高压下,会变成超导体,其转变温度在270-290 K之间。这一次他们的理论预测,和实验结果非常吻合。考虑到此类计算的难度,这一次理论预测近乎完美。

 

我认为高压下的常温超导体,在一两年内很有可能被发现。而常温常压下的超导体,尚需较长的时日。一种可能是直接通过不断尝试的实验,加上一点理论指导,发现铜氧化物、铁基超导体、富氢材料之外的第四种高温超导材料;二是解决了铜氧化物的超导机制之谜后,可以通过理论设计出新型超导材料;三是发现某种富氢材料的化学压强,可以完全取代物理压强,或者是其在超高压下的晶体结构,处于很深很宽的势井,这样的话急速撤销压强,这个meta-stable的结构可以在常压下维持。在有生之年,我认为我会看到常温常压超导体被发现;同时我也认为,所有的超导体,其超导机制是相同的,只是在复杂的铜氧化物里,清晰的物理图像被暂时掩盖了。



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