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室温超导材料会成为现实吗?

已有 5028 次阅读 2015-5-4 21:59 |系统分类:论文交流| 高温超导, 薄膜电阻, 临界温度


1911年,荷兰莱顿大学的昂内斯在将汞冷却到零下268.98℃时,却意外的发现汞的电阻突然消失;昂内斯把这种金属或者合金在低温下失去电阻的特性,称为超导态。自此之后,超导时代被开启了。

 

                       

                          汞(水银)                        

 

                 

                        卡末林·昂内斯 

不过遗憾的是,自从昂内斯1911年发现超导以来,金属、合金材料的超导转变温度总是徘徊在零下260度左右。这距离超导材料可以被用于人类的实际生活还差的太远太远。更让人感到气馁的是,著名的BCS超导理论断言:超导材料的转变温度不可能高于零下240度。这让许多物理学家一度怀疑:超导是否真的可能被应用到人类日常生活中去。

大家可以想象一下,假如超导材料的转变温度真的可以被提高到室温20度左右,那将会给我们的世界带来多么巨大的变化?

由于超导体中电流的输送可以无视电阻,输运过程也不会有一丁点损耗,这意味着我们所使用的任何电子器具将不再担心电能损耗。不妨想象一下,假如室温超导可以实现,那么您的iPhone手机充一次电就可以用上几个月。

 

               

                                        iPhone

正是因为超导技术背后的诱人前景,物理学家一直没有放弃室温超导的梦想。

转机在1986 年的 10 月份,瑞士苏黎世实验室柏诺兹等人发现Ba-La-Cu-O铜氧化材料的超导转变温度将高于零下240度。这就打破了BCS超导理论的所谓“断言”,由此而引发了一轮寻找高温超导的热潮,至今方兴未艾。到目前为止,高温超导材料的最高转变温度已经趋近零下100度。

 

                                       室温超导

 

尽管超导材料的转变温度被不断的提高,但是物理学家却一直难以找到一种物理理论来解释高温超导的成因。并且,正因为找不到形成高温超导的原因,人们提升超导转变温度的过程,更像是在“瞎子摸象”。

2015年4月份我们在预印本网站arXiv提交了一篇论文Scaling Laws for Thin Films near the Superconducting-to-Insulating Transition。我们的研究发现提高超导转变温度取决于三个条件:材料要尽可能薄、材料的(薄膜)电阻要尽可能小、材料内电子数密度要尽可能大。具体研究内容可见论文网址:http://arxiv.org/abs/1504.07097

                                   

                                           我们的理论结果

显然,要同时实现这三个条件是相当苛刻的,但是也并不是没有可能。这就为寻求室温超导材料指出了一个可能的方向。值得提及的是,我们论文的理论研究结果已经被美国麻省理工学院的实验人员Y.Ivry等人所证实(事实上,我们的理论研究正是为了解释他们的实验结果),他们的相关实验成果发表在2014年12月份的《美国物理评论B》上。 

                              Y.Ivry等人的实验结果

            

可以想象不久的将来室温超导材料会成为现实吗?室温超导材料可用于磁悬浮高速列车、无损耗的发电机、变压器、储蓄电池和输电线、功能强大的超级计算机等等。如果便宜且容易获取的材料真能在室温下实现超导,毫无疑问那必将引发一次新的现代工业革命!




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