作者:陆琦 来源:中国科学报 发布时间:2014/12/23 10:46:12
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室温超导:从瞬态到稳态还有多远

 

■本报记者 陆琦

还记得电影《阿凡达》中一座座悬浮在云端的哈利路亚山吗?那一座座大山之所以能够悬空,是因为山中蕴藏着一种神奇的室温超导矿石,它借助母树附近的强大磁场“托起”了哈利路亚山。

其实,自1911年发现无阻抗电力传导理论以来,“室温超导”之谜就一直困扰着科学家。

不过,近日传来了一个好消息:借助短波红外激光脉冲的帮助,德国马普研究所的研究人员成功制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有百万分之几微秒。

仍有待证实的瞬态

德国科学家的这项工作,引起了国际物理学界的广泛关注。

有外国学者称,这项成果将帮助材料科学家研发具有更高临界温度的超导材料,并最终实现可在室温下应用、完全无需冷却的超导材料的梦想。

因为直到现在,超导体都必须用液氮或液氦冷却到远低于零度的温度。如果复杂的冷却设施不再需要,那超导技术就有了投入日常应用的可能。

只是,那百万分之几微秒的超导现象是怎么观察到的呢?不少物理学家对此提出了质疑。

中科院物理研究所研究员丁洪在接受《中国科学报》采访时直言“觉得证据不足”。“根据他们在《自然》杂志和以前发表的文章,只是说观察到的现象可以用瞬态室温超导去解释,但也可能有其他解释,这就需要更多的证据支持。”

该论文第一作者、德国马普研究所物理学家罗曼·曼科夫斯基表示,他们使用红外激光脉冲照射钇钡铜氧化物材料时,它会在室温条件下短暂地显示出超导性。“激光脉冲改变了材料晶体结构中双层氧化铜分子的耦合性。红外脉冲不仅激发了原子振荡,而且改变了它们在晶体中的位置。这样的变化增加了双层之间的耦合程度,使得这种晶体在几皮秒内变成了室温超导体。”

但对于“瞬态”发生的现象,可测量的手段非常少。“没法直接测电阻和磁化率,只能通过光谱学检验,但光谱学特性能否确切认定是超导,这个还有争议。”丁洪说。

英国伯明翰大学的凝聚态物理学家泰德也认为,这一结果是试探性的,有待进一步审查。

可能带来一场革命

“如果最终被证实真是室温超导,那么意义很大,尽管只维持了几个皮秒。因为给人们一个希望,可能在其他材料实现更长时间的室温超导或获得稳态。”在丁洪看来,室温超导将引发人类社会的巨大革命。

超导被誉为20世纪最伟大的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一温度以下时,电阻突然消失并且不能被磁场穿过的现象。

正是因为超导的特殊性,世界上很多物理学家都在为寻找更高温度下的超导材料而工作。1911年,荷兰科学家发现水银在极低温条件下的超导性,开辟了科学研究的新领域;1986年,德国科学家与瑞士科学家发现铜氧化物的超导性,形成了第一个高温超导体家族;时隔20年后,日本科学家发现铁砷化合物的超导性,中国科学家又发现一系列高于传统超导体极限临界温度的铁基超导体,使之成为第二个高温超导体家族。

物理学家相信,寻找到更高超导临界温度的超导体,乃至室温(300K或25℃左右)下的超导材料,势必将对人类未来的生活带来翻天覆地的革新。“因为它将大大节约电力传输和使用过程中的损耗、可以提供持续稳定的强磁场、实现安全快捷的高速磁悬浮运输等等。”丁洪说。

据预测,2020年与超导有关的产值可以达到2000亿美元。“现在看来达到这个预期还有很大距离,关键在于成本和需求。”中科院院士赵忠贤表示,解决这两个问题。一是要发展和改进现有实用超导材料的制备工艺,提高制冷系统的性能以实现高可靠性和低成本的目标。二是开拓和培育市场。从长远的角度来看,探索新的更适于应用的超导材料是十分必要的。

追寻从未间断

事实上,科学家从未停止过对更高转变温度超导体的探索,陆续发现了许多超导新家族。

比如,最近《自然》杂志上的另一篇报道,令固体物理学界感到比瞬态室温超导“更加激动人心”。研究人员发现,在200万大气压的高压下,单纯的硫化氢分子在温度达到190K(-83℃左右)时可以变成超导体。而今年早些时候,吉林大学崔田教授领导的研究团队就从理论上预言了一种非常类似的材料可在200K实现超导。

“尽管温度看起来并不太高,且在高压下实现,可它依然打破了此前超导体164K的温度纪录,即汞氧化钡钙铜所创的纪录。”丁洪认为,若证实的话,这将开辟一个新的方向,是诺贝尔奖级的一项工作。

无独有偶,近期《自然—材料》报道的生长于钛酸锶衬底上的铁硒单层薄膜的零电阻转变温度高达100K以上,更加激起了科学家们的浓厚兴趣。这项工作由上海交通大学教授贾金峰领衔,他们在清华大学薛其坤院士的工作基础上,即利用超高真空分子束外延技术在钛酸锶衬底上成功制备出单个原胞厚(0.55纳米)的铁硒超导薄膜,发现了109K超导证据。这也是目前发现的最薄的高温超导体。

有美国物理学家称,中国科学家的这项成果一旦证实,必将非常轰动,引起世界瞩目。

“找高温超导体是一个目标,另外一个目标是解决非常规超导体的机理问题,这也是物理学家非常关注的。”丁洪表示,目前国内的超导研究,包括材料制备、物性测量、理论解释,都走在世界相当领先的位置。“美国能源部在中美之间找平等互补的领域合作,最后选了超导,因为他们觉得这是中国能跟美国‘叫板’的领域。”

《中国科学报》 (2014-12-23 第4版 综合)
 
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2015/1/4 11:41:09 cqp
不要相信真可耻,但一定要相信相对论。超导第三条路;三,增加物质的电子数都能降低物质的电阻。
2015/1/4 7:05:30 ormazd
瞬态下,温度很难定义,或者说有时候不存在温度这个概念,在这种情况下,通过远红外辐射调节声子和电子的相互作用,造成隧穿电流是完全可行的,难度在于实验,实验物理吗,都是说起来简单,做起来很难。
2014/12/29 20:36:29 hnxxxh
我有一种理论不知道能不能揭开室温超导的秘密,有兴趣的朋友可以加我qq752833816.共同探讨。
2014/12/26 17:06:29 cqp
打破常规,颠覆本质。很难。
2014/12/26 16:58:26 cqp
知道了物质的本质,超导三条路:一,降低物质的温度可以降低原子核对电子的引力。二,减少物质的原子核数,三,增加物质的电子数都能降低物质的电阻。
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