打开APP
userphoto
未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
科学界的圣杯——常温超导体,到底距离我们还有多远?

在2018年3月份的时候,一位中国青年学者曹原,在英国《自然》杂志上连刊两篇论文,引起不小轰动;12月底,曹原登上《自然》杂志“2018年十大科学人物”榜首,杂志封面用交错双层石墨烯组成“10”的字样,来暗示曹原的发现。

曹原,1996年出生,四川成都人,在2010年以高考成绩669分(理科),考入中国科学技术大学少年班,现为美国麻省理工学院博士生。

曹原登上《自然》杂志的文章,是发现双层石墨烯摆成魔角1.1°(1.05°~1.16°)时,将呈现超导现象,转变条件还需特殊的磁场,以及1.7K的超低温,并非某些媒体宣传的常温超导。

在1911年,荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes意外地发现,当金属汞冷却到接近绝对零度的4.2K(﹣268.95℃)时,汞的电阻突然消失了,这一发现打开了人类探索超导体的大门,这位科学家也因此获得1913年诺贝尔物理学奖。


我们知道,导体之所以导电,是因为导体中存在大量的自由电子,这些自由电子定向移动形成了电流;但是自由电子在移动过程中,会受到原子以及其他电子的阻碍作用,从而使电子损失动能,然后转化为导体的内能,这就是电阻的微观原理。

超导体电阻为零是一个非常反常的现象,这里指的“电阻为零”,并非指“电阻非常小,小到可以忽略”,而是说“超导体的电阻绝对为零”。


如何理解呢?

有电阻就会有电流损耗,科学家建立一个环形的超导体,然后利用磁场激发出感应电流,这个电流在环形超导体中运行了两年之久,都没有丝毫衰减的迹象,说明超导体的电阻是绝对的零。

我们在中学熟知的欧姆定律,本质上是一个经验公式,并非严格的物理定律,只适用于纯电阻的常规情况;比如电流达到上万安培时,欧姆定律也会存在2%左右的误差。

所以欧姆定律并不适用于超导体,超导体中的电流,需要用更本质的物理定律来描述,比如利用电流的定义式I=Q/t,既单位时间内通过的电荷量。


超导体研究历史

超导体有三大特点:电阻率为零、完全抗磁性、通量量子化。

其中“电阻率为零”是人类电力系统中梦寐以求的物质属性,如果我们能制造出常温状态下的超导体,那绝对是人类科技的一大飞跃,电子产品将变得更加小型化,可控核聚变中的磁场强度大大增加,或者在电力运输中减少损耗。

超导体自从被发现开始,就成为科学研究中的重点项目,最初发现汞的超导转变温度为4.2K,然后又发现铅在7.2K时也能成为超导体;经过一段时间的研究,科学家发现有几十种单质,在接近绝对零度时都能转变为超导体。


理论物理学家也在试图解开超导体的奥秘,直到1957年,三位物理学家提出BCS理论,以电子-声子作用为前提,解释了低温超导体的形成机制,并因此获得1972年诺贝尔物理学奖。

美国物理学家麦克米兰还发现,BCS理论存在一个极限温度大约39K,高于这个温度后的任何物质,都不能形成超导态,这一极限打击了人们的信心,因为如此低的温度难以用于实际。


直到1986年,两位IBM的科学家柏诺兹和缪勒,放弃以往在金属合金中寻找超导材料,转而研究不被人看好的陶瓷材料,他们发现钡铜氧化物的超导转变温度达到了35K,并发现该类物质有可能突破麦克米兰极限,他们两人也因此获得1987年诺贝尔物理学奖。

这一下子可让氧化物超导体的研究火热起来,此后研究人员把能实验的任何材料都试了一遍;当年,超导转变温度很快就被提升到了40K,然后43K,50K……;在1987年,我国赵忠贤等人发现90K的钇钡铜氧化物,首次把超导材料转变温度提升至液氮水平(77K)。

77K(-196℃)是超导材料达到实用的最低门槛,因为用液氮就能制造超导体,相比以往用液氦和液氢来制造超低温,成本低了很多倍,所以转变温度在77K以上的叫做高温超导体。

1988年初,日本研究人员发现110K的铋锶钙铜氧超导体;当年,我国留美学者盛正直发现125K的铊钡钙铜氧超导体;1993年法国科学家发现135K附近的汞钡钙铜氧超导体,如果压力进一步提高,这一温度还能升到164K(-109℃)。


此后二十多年,无论在实验还是理论上,关于超导体的研究进展缓慢,高温超导体的产生机制一直是凝聚态物理的最大谜团;有理论物理学家预言,氢气在超高压力下(数百万个大气压)会形成金属氢,金属氢很可能具有常温超导能力。

到了2015年,德国两位科学家发现硫化氢(H2S,臭鸡蛋的成分)在150GPa(150万个大气压)下,超导转变温度达到了203K(-70℃)。这是继上世纪九十年代发现汞钡钙铜氧超导以来,超导转变温度的一大提高,但是极高的压力使得该成果无法实际应用。

然后在2018年12月,德国科学家团队再次宣称,他们在170万个大气压的条件下,发现LaH10 (氢化镧 )具备超导性能,转变温度高达250K(-23℃),目前这一发现还在接受同行审核。如果证实为真,那么这将是人类发现超导体的最高转变温度,但是所需压力实在太高了,几乎和地心压力相当。

然后在2018年,曹原团队发现的双层石墨烯超导现象轰动科学界;其实石墨烯的超导现象早就被人们发现,但是以往的石墨烯超导属于常规超导(BCS等理论可以解释的超导现象)。


而曹原发现的双层石墨烯超导,更像是非常规超导,虽然最高的超导转变温度在1.7K(约-271.5℃),但是双层石墨烯只做了简单的角度旋转,就能让双层石墨烯从绝缘体到超导体的转变,这是非常不可思议的事。

对于氧化物类的高温超导体,由于微观结构非常复杂,很难进行微观尺度的研究;而超高压类的超导体,研究起来更难,也无法实现实际应用。


而在曹原的实验中,石墨烯的微观结构简单,实验各参数比如磁场、温度、电流、角度等等都是可以精确控制的,这一发现给科学研究带来了新的思路,也为高温超导现象提供了研究平台,这绝对是近几十年来,超导研究领域最令人兴奋的事。

如果科学家能从曹原的发现中,顺藤摸瓜分析出高温超导体的形成机制,那么距离常温常压超导的实现就不远了,或许就在接下来的几十年内,你觉得呢?


我的内容就到这里,喜欢我们文章的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!

本站仅提供存储服务,所有内容均由用户发布,如发现有害或侵权内容,请点击举报
打开APP,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
猜你喜欢
类似文章
【热】打开小程序,算一算2024你的财运
网友问:曹原发现石墨烯的超导现象,有可能获得诺贝尔奖吗?
科学家声称在常温下获得了超导体
科研人员成功制备出石墨烯/超薄超导异质结|科学家|超导
这个发明得到应用的话,整个世界都会被颠覆
5分钟科普:常温超导到底是什么意思?美国科学家或是欺世盗名!
科学家发现常温超导体 一个属于超导体的新时代即将开启
更多类似文章 >>
生活服务
热点新闻
分享 收藏 导长图 关注 下载文章
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!

联系客服