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15℃!科学家实现高压室温超导,人类离完美材料又近了一步

2020-10-20 14:45 前瞻网   

 

15℃!科学家实现高压室温超导,人类离完美材料又近了一步

上周,美国研究人员在《自然》杂志发表了一项最新研究成果,表明在室温超高压状态下实现了超导。这一消息迅速引发了媒体的争相报道,《自然》杂志甚至将其作为封面文章,足见其重大意。

超导研究是物理学一个很小的分支领域,却受到学界的重视,但到现在为止,已经有10位科学家直接因为超导研究获得诺贝尔奖。

超导是什么?

一般来说,物质按照其电阻大小可以分为两类,电阻过大使得电流无法通过是绝缘体,可以通过的即为导体。在实际运用中,导体的电阻并不讨喜,它会降低电流传输的效率,增大电流损失。

在特定条件下,某物体电阻为零的状态,即为超导。在实验中,若导体电阻的测量值低于10-25Ω,就可认为其电阻为零。据测算,在闭合超导线圈中感应出1A的电流,需要近一千亿年才能完全损失掉,这一速度相对于人类的时间尺度来说完全可以忽略不计。

为什么会存在电阻呢?

以常规金属导体为例。金属中的原子倾向于失去部分电子而成为正离子。这些正离子在金属中的排列是周期性且有序的,形成所谓“晶体点阵”或“晶格”。在这一过程中那些“失去的电子”会成为自由电子,不再为某一特定的正离子所束缚。

在未通电或其他情况(如温度、数密度等未变)下,金属中的自由电子会像气体中的分子一样不停地做无规则热运动,朝任意方向运动的概率都一样,不会发生定向运动。

当通电时,自由电子受力而获得加速度,开始定向运动,金属导体中的电流就是自由电子定向移动形成的。但是自由电子在运动中要与“晶体点阵”频繁碰撞,每秒钟的碰撞次数高达10^15左右,这种碰撞会阻碍自由电子的定向移动(如鱼群穿越渔网时受到的阻碍),这就是电阻产生的原因。

当然,这一过程中,自由电子碰撞时会将部分能量转移给晶格上的正离子,使其热振动加剧,这也就解释了为什么通电后的导体会发热。

如何降低电阻呢?

早在20世纪初,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)在研究水银的低温特性时发现,当温度降到-268.98℃,水银的电阻突然消失(其实应该是超出了当时电阻测量的极限);后来他发现许多金属和合金都具有类似现象。

对这一现象,后来有物理学家做出了解释,1957年罗伯特·施里弗(Robert Schrieffer)、约翰·巴丁(John Bardeen)和莱昂·库珀(Leon Cooper)3位科学家对低温超导原理进行了深入研究,最终提出一个超导理论一一“电子对理论”,又称BCS理论(以3人名字的第一个字母命名)。

该理论认为,晶格的振动,即声子(Phonon),使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋量子数(用来描述电子自旋运动的数值)为零的电子对(或库珀对)。这种电子对在穿越晶格是不会发生碰撞,因此也就不会存在电阻。

这也是目前网络上对超导原理的解释,但这样的解释根本没有触及根本,为什么形成电子对后穿越时就不会受到阻碍了?

解释BCS理论需要引入玻色子和玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensation, BEC)这两种概念。

玻色子的命名源自其发现者印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose),是指自旋量子数为整数(0,1,……)的粒子,比如氘核、氦-4等复合粒子以及光子、胶子等基本粒子。玻色子在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。

上面提到,BCS理论中的电子对的总自旋为零,因此也是一种玻色子。

玻色-爱因斯坦凝聚是玻色子在冷却到接近绝对零度(即0开尔文度,写作0K,约零下273.15℃)所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态(物态),也就是超流体,其特点是完全缺乏黏性。

如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。尽管超流体拥有0摩擦力的特性,但并不意味着可以用它制造出永动机,因为目前并不存在摩擦力为0的传动装置,不能输出能量的永动装置毫无实际意义。

因此,BCS理论中的电子对作为一种玻色子,在超低温状态下会具有超流体的体征,因此其在受到电流的加速度向前运动时不会因为阻力而损失能量。这就是低温超导的原理。

提出BCS理论的3位科学家在1972年获得诺贝尔奖。但是,这一理论却也不是绝对正确的,它无法解释高温超导现象。

零度以下的“高温”超导

低温超导自首次发现以来已经有百年历史,但是,目前生活中对超导的实际运用并不广泛,一个瓶颈就在于超低温。最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用,往往需要达到绝对0度左右,而且还要长久保持这种低温状态。

这一要求很难实现,因此众多研究人员都在研究高温超导。但是,这里的“高温”和日常说的动辄成百上千的高温不同,它是相对于绝对零度的概念,即便零下200度,也能被称作“高温”。

从 20 世纪 80 年代开始,高温超导材料相继问世,超导临界温度也不断提高。

1986年缪两名物理学家发现了钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物,其临界温度约为-238.15 摄氏度,这两人也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。这一发现也使得科学家制造出了临界温度约183.15 摄氏度的超导材料钇钡铜氧超导体,第一次突破了液氮温度(-196.15 摄氏度)。

虽然人类在实验室中已经进行了多次实验,超导体的临界温度也不断提升,但目前人类对高温超导的机理并不了解。

人们发现,虽然超导体的临界气温不断提高,但其所处环境的压力却在上升。2018年,德国马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷米茨(MikhailEremets)与其同事在-23℃的温度下实现了氢化镧(LaH10)的超导性。但同时他们也指出,这一环境所处的气压是170千帕(kPA),这一压力约相当于17吨重物作用在1平方米地面所产生的压力。

终极梦想——室温超导

就在本月14日,《自然》杂志刊登的研究成果显示人类已经实现了室温(15摄氏度)环境下的超导。这一成果从投稿到接受不超过十天,足见其重要性。

这一实验中使用的是含碳硫氢化合物(加入碳是因为其能与邻近原子形成很强的化学键,进一步提高临界温度)。此前,中国科学家就曾预言硫化氢(H2S,一种散发出臭鸡蛋味的气体)可能在高压下转变为高温超导体(没错,中国在超导研究方面是领先的)。

为什么科学家认为氢具有室温超导的潜力呢?

1968年,康奈尔大学物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)指出,如果能将氢气转化为固体金属氢,由于强大的氢键存在,其晶格可在较高温度下传递库珀电子对,超导临界温度可以“高达”17℃。

罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯(Ranga Dias)也看好氢,他认为“要拥有常温超导体,需要更牢固的键合和轻元素。这是非常基本的前提。氢是最轻的材料,氢键是最强的键。理论上,固体金属氢具有较高的德拜温度(Debye temperature)和强的电子-声子耦合(coupling),这是室温超导所必需的。”

上面提到的德拜温度是指晶体中原子的最高振动频率所对应的能量与波尔茨曼常数的比值;电子-声子耦合是指这两者之间的相互作用/影响/联合的现象。

他们的看法后来得到了证实,不过,在地球上制取金属氢的难度很大,其需要的压力很高。此前,哈佛大学的科学家曾宣称在495 GPa(约相当于4950万吨重的物体作用在1平方米面积上的力)的压力下制造了固态金属氢,不过他们的说法并没有实际证据。

由于难度太大,科学家多采用含氢化合物,硫化氢就是用的较多的一种物质。在本次发表的最新成果中,科学家使压力达到了267GPa。为了实现这一压力,需要在金刚石对顶压砧中实现,如下图:

15℃!科学家实现高压室温超导,人类离完美材料又近了一步

图源:Steven D. Jacobsen

在论文中,作者并没有给出具体的化学成分和晶体结构,但是详细论述了制备过程,这也为其他研究团队在后续中再次实现“室温超导”提供了参考。

在报道这一研究时,有的媒体用了“家用电线马上就是超导的了”等标题。这一说法是错误的。从上面的论述可以看出,目前不论是哪种实现途径,对温度和压力的要求都很高,在实验室中实现这样的条件很容易,但要实现落地并且保证稳定性,目前的科技水平还是很难的。

不可置否,超导的应用前景是很广的,不然也不会有那么多科学家前赴后继。目前在医疗领域使用的核磁共振成像(MRI)就用到了超导技术。日本早在上个世纪就提出建造超导列车,不过由于稳定性最后只得做罢。

当然,超导的应用前景还有很多:超导电缆、超导电机、超导储能器以及粒子加速器和受控热核反应的超大型强磁体。

这次的研究虽然还不具备实际运用价值,但它却证明了室温超导的可行性,也验证了中国科学家的预言,随着科学的进步,压在超导身上的“两座大山”:低温和高压迟早会被解决。

参考资料:

Geoffrey Ozin. What would a room temperature superconductor mean for the energy sector?

Sam Lemonick. Hunting for the Next High-Temperature Superconductor

Yansun Yao, John S. Tse. Superconducting Hydrogen Sulfide. DOI: 10.1002/chem.201705321

Snider, E. et al. Nature 586, 373–377 (2020). DOI: 10.1038/d41586-020-02895-0

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责任编辑: 3976DBC

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