作者:王兆昱 孙滔 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/3/12 21:58:43
选择字号:
室温超导真的来了吗?让子弹再飞一会儿

 

美国时间3月7日,在美国物理学会会议上,美国罗彻斯特大学学者Ranga Dias宣布在近1万个大气压下实现了室温超导。该研究瞬间出圈引发热议。

3月9日晚,在科学网的微博直播活动中,中科院物理所研究员罗会仟(中国科学院物理研究所研究员、博导、科普作家,主要从事高温超导和磁性材料的中子散射实验研究)和@Angela火星小姐姐、中国科学报孙滔探讨了热搜话题“室温超导真的来了吗”。

  ?

识别二维码可观看直播回放

以下为直播内容整理(有删节)。

问:室温超导在美国物理学会会议上“火”了,除了科学家,很多投资人也都在议论这个话题。请罗老师讲讲,它真的是个带有科幻属性的未来吗?这个未来到底是什么样?

罗会仟:说到室温超导,大家可能很难一下子想象它是什么。

第一部《阿凡达》电影里有这样一个场景,潘多拉星球上的山是飘在天上的,在该星球室温下,山里面有一种神奇的矿石可以让整个山悬浮起来,特别壮观。地球上没有这种矿石,于是地球人为了获取这种室温超导矿,就和外星人起了冲突。

超导材料有两个特殊的性质,第一,它的电阻是零;第二,它有完全的抗磁性。它的本质是热力学的相变,而且它是宏观的量子现象。

将来磁悬浮列车可以变成超导的,速度会很快,也比较稳定。很多磁铁可以用超导体来做,能做得很强、很均匀,可以用来做人工的可控核聚变,甚至污水处理。还有很多量子的应用,比如量子计算。如果我们找到室温超导材料,可以想象我们的生活到处都会是超导体,就像今天我们离不开半导体一样,手机、电脑、灯……到处都是半导体,这些东西可能将来都会变成超导体的,所以大家很激动。但我先给大家打个预防针,不要那么激动,后面我再解释为什么。

问:一个天真的问题:我们说实现室温超导是很难的,那冬天会不会容易一些?

罗会仟:冬天很冷,比如东北、西伯利亚,甚至南极,可以达到零下90摄氏度。那么,冷的地方是不是更容易实现超导?确实是,但是也不那么容易。

举个例子,第一个发现的超导体是金属汞,就是体温计里的水银,它的超导温度是4.2 K,换算成摄氏度就是-268.8℃,地球自然环境根本就达不到这种低温。所以说一般超导体需要的温度实在是太低了。

问:所以说我们提到的低温,和科学家所说低温超导概念中的低温,差别是很大的。我们现在已经有磁悬浮列车了,这个和超导的磁悬浮列车能比吗?

罗会仟:磁悬浮列车有2种技术。一种是常规的电磁悬浮,就是两个电磁铁的排斥或吸引,把整个列车给悬浮起来。这种技术需要通很大的电流,列车速度其实不太快,我们国内北京、上海、长沙都有,但这些磁悬浮线的速度还不如高铁,是中低速的常规磁悬浮。另外一种就是超导磁悬浮,可以是高速的磁悬浮,日本正在建设商业化的全超导磁悬浮,速度可以达到600公里每小时,比我们现在的高铁速度快将近一倍。

问:据说最快能达到几千公里每小时。

罗会仟:达到几千公里每小时要复杂一点,把空气阻力去掉才行,要把整个列车放在低真空管道里,技术要求要高得多。

问:如果达到3000公里每小时的话,飞机就不用了。

罗会仟:假设轨道特别完美,理论上可以达到3000公里每小时,比飞机快太多了,飞机的平均速度是900公里每小时。不过这么快的速度你敢坐吗?其实用来发快递是挺好的。

问:回到美国物理年会上的新闻,Dias Ranga进行的是一个怎样的研究?它真正的突破点在哪里?

罗会仟:假设他们的工作是对的,这个研究的突破点是20℃以上,基本已经是室温了,以前从没达到过这么高温度的超导体。探寻这类金属氢化物高温超导体有一个常用的方法,也是这个文章里采用的,叫做金刚石对顶压砧,可以达到500万个大气压甚至更高。

在这样高的压力下可以得到一些常压下不稳定的结构,在此基础上,你就可以发现有些材料是超导的,而且超导温度还很高。从2015年开始,德国科学家报告硫化氢(不是我们熟悉的硫化氢,是三个氢的硫化氢)超导的温度很高,是202 K。

后来美国和德国科学家又发现“LaH10”(十氢化镧)这种材料超导的温度也很高,260K左右,是零下13℃,快接近室温了。

这些氢化物的超导都需要百万级以上的压力才能实现,但这篇《自然》的文章里,到一万个大气压时,超导温度可以达到20 ℃。这是大家非常激动的一点,即不需要借助那么大的压力就可以实现超导,而且是室温超导。这两点是它最重要的进展,也是大家最关注的地方。

问:这跟他们的材料也是关系很大的,对吧?

罗会仟:他们的材料并没有很特殊。科学家找到LaH10后,很多科学家把稀土元素全部找一遍,跟氢组合,组合方式有很多,但一般来说都是5个氢、6个氢,甚至更多的氢。

从2019年发现镧氢石超导到2022年,这两三年时间科学家找了十几种稀土元素,还有一些碱土金属,比如钡、锶、钙等,与氢组合,这些金属氢化物许多是超导的。Dias用的是稀土镥(Lu)和氢组合,里面加了一点氮,我们叫“卤蛋氢”(镥氮氢),里面有3种元素,和我们常规研究的金属氢化物还是不太一样。

问:所以它是稀土元素以及氮、氢排列组合的发现,那么理论上是不是这种可能的元素排列组合有无数个,都去筛一遍是不是会有更大的成功?

罗会仟:对,你要去筛选,但实际上它能够稳定存在的结构并不是那么多,有些结构要求一些特定压力,它才会稳定,你要通过计算先去猜。这个文章用到了AI来帮助计算去寻找材料,现在的AI计算能力很强,这也是能做这件事的主要原因。找到以后,实验上的实现也没有那么容易。

这篇文章没有公布材料合成的细节,特别是材料的真实元素配比不知道,仅仅从理论上猜测出材料的结构大概是什么样子。

问:到今天,超导研究变成了技术的问题,而不是纯理论科学的问题了,是这样吗?

罗会仟:这个理解是错误的。听起来好像有现成的计算工具,算一算、找一找,在技术上你就能做出来,因为我们用来算的理论是非常简单的,是超导里面最成熟的理论,叫BCS理论,在1957年左右就提出来了。但它是有局限性的,只能描述一些基本的超导现象,比如单质的金属,一些合金和一些金属氢化物等等。

许多超导体不能用这个理论来描述,叫做非常规超导。高温超导体(40 K以上的超导体)通通都是非常规超导体,不能用常规BCS理论描述,也几乎无法用AI预测出来。

问:随着材料研究的进步,有些理论是要更新的,并不是说一个理论放在那里套用就行了。

罗会仟:是的,1950年代的理论放到今天很多地方都不适用了。就像经典物理中,从单体物理到三体物理就存在巨大的挑战。

科学家发现,在实际的材料里面,面临的研究对象是很多的,它里面的电子至少是10的23次方个,这么大的数量级怎么处理?你可以写方程,但是写出来解不了。我们可以先不考虑粒子之间相互作用,或假设可以用微扰来处理,这样勉强借助材料的周期性,可以大大简化方程。

一旦考虑粒子之间相互作用就更麻烦,每个粒子都有各自的复杂相互作用,那方程就变成了几乎无解。对于多体物理问题就要跳出原来的思维模式,我们能不能上来就写一群粒子的运动方程?

目前还没有很完善,有一些基本的雏形,但还是感觉不太好用,我们现在的计算能力也跟不上。

问:超导现象从1911年被发现,100多年了,那么多伟大的科学家都在做这个事情,为什么是Dias,一个年轻的斯里兰卡学者做出来这个东西?

罗会仟:其实超导的门槛挺低的,最早我们合成超导材料很简单,就是把各种元素混一混,找一找有没有稳定的结构,测一测,在物理研究基本上都是套路,只要会些基本化学知识,都是可以来做的。

不过Dias这套技术还是有点挑战。首先他在博后期间做的高压需要几百万个大气压,用金刚石对顶砧在高压高温下来合成样品,并在更高压力下进行测量,还是有技术难度的,不是大家想象的那么容易。

问:Dias科研历史不是一路畅通,在2017年和2020年都遭遇了一些质疑。第一次说他的研究材料丢了,不能重复实验;2020年又发生了《自然》撤稿的事情,对他的科学声誉影响很大。从业内的角度来看,你觉得何时会有确定的结论?

罗会仟:大家对他的信任度不是很高。他2017年在博士后期间宣称发现了金属氢。实验物理学家花了80多年的时间都没实现,怎么就在他手上成功了?大家可能是又激动又有点嫉妒,不过后来实验也没被重复,金属氢就成为一桩悬案。

他真正去找氢化物的超导是在2020年,做的是碳氢硫超导。他的文章没有公布分子式(即材料的具体结构),只说了有这3个元素,数据也显得过于漂亮。因为在那么高的压力下测量是非常困难的,实验数据的噪音一般很大,他给的数据反而很干净。

别人就质疑这个数据怎么来的,这就产生了一系列的争议,而且相关的结果也没有被其他研究组重复出来。争议的结果是:在2022年文章被《自然》单方面撤稿,而文章所有的作者都不同意撤稿。

这次是第三次了,出来的数据也是很好。他给出了所有完整的数据,在《自然》网站上,有兴趣的朋友可以去下载他的原始数据,仔细分析一下他到底是怎么得到文章数据的。

其实从去年他在某次会议报告相关结果开始,不少研究组就已经在重复实验了,我觉得用不了太长时间,大家就会公布自己到底有没有重复出结果。咱们拭目以待,看看到底是真是假。

  ?

直播截图。依次为:孙滔(左)、@Angela火星小姐姐(右下)及罗会仟(右上)

问:比如生物学实验发了论文,别人很快要重复。Dias的超导研究为什么别人做不出来呢?

罗会仟:确实,原则上来说我们做实验至少有实验记录,操作设备也有一些实验记录的痕迹。那你把实验记录的条件重复一下,或者把它交给别人重复一下,应该是不难的事情。

当然大家期待的金属氢需要近500万个大气压的压力,实际上用金刚石压到400万个大气压以上就已经非常困难,全世界能做的研究组没几个。他当时宣布的金属氢是在495万个大气压之下实现的,大家要重复的话,门槛也挺高,包括碳氢硫这个事情。前面提到,超导材料可以通过理论计算,推测出来它有可能的结构,这种计算基本上能准确算出二元化物(2个元素)的结构,3个元素的就不太好算了。科学家还是尽量去算,但在碳氢硫体系算出来的结果,几乎没有能达到这样高温超导的材料。

问:那今天这个三元化合物,是20℃的,是不是就容易重复了?

罗会仟:不仅是20℃,还有它的压力很低,只需要1万大气压,重复起来就容易得多。1万个大气压在实验物理中是比较轻松能达到的参数,不需要非得用金刚石来压,可以用一些便宜的装置。如果给出材料,验证起来是比较容易的,很快就能出来。

问:估计能多快?

罗会仟:我估计用不了几天或几周。

问:那我们可以让子弹再飞一会儿。罗老师跟Dias有过接触吗?对他有什么印象?

罗会仟:我个人跟他没有交集。他是研究高压物理的,不只是研究超导;而我是专门研究超导机理的,是材料发现之后干的事情。我们的研究领域还是差距有点大的。

Dias的工作一直都是神神秘秘的,包括那天会议上,主持人特别强调不允许提问。听说一些现场的同行在报告间隙时抓住他提了几个问题,他没有正面回答问题,后面做报告的时候也没有过多交流。很多科学家都很兴奋,想去找他拿样品,估计都没拿到,也不知道他去哪了,挺神秘的一个人。

问:如果善意猜测,这种神秘可能是因为他有商业诉求,要保密或保护专利之类的。但是作为科学发现来说,这种做法不符合可重复、可验证的科学原则。

罗会仟:一般来说,如果科学家发现一种材料是超导体,即使他不是做超导的,他都很乐意把材料寄给别人合作,因为他能做的研究手段毕竟是有限的,只有激发同行的兴趣,才能吸引更多的关注。

问:不过Dias这篇文章已经在《自然》发表了,有同行评议的过程,这意味着至少有些专家已经讨论过。

罗会仟:他在报告的时候好像说文章已经经过了5轮审稿。我不知道具体的审稿过程,但是如果觉得数据有问题,也可以再请别的专家继续验证,当然能否被其他研究组重复验证,是非常重要的。

Dias今年这篇文章似乎很难找到可辩驳的地方,尤其是他正文里面的数据,太全了。如果这些数据都是对的,你就很难找到理由拒绝他这篇文章,不过实验数据到底有没有问题,需要更加专业的人去真实地判断。

问:我们看下一个问题,超导研究的历史中有一些很重要的节点,也有华人科学家做出了突出贡献。能梳理一下这个过程吗?

罗会仟:中国科学家在整个超导研究中都处于世界前列,尤其是超导材料和超导机理方面,当然超导应用这几年也做得非常好。

早在上世纪六七十年代,中科院物理所就已经在研究超导了,那时候还没有高温超导,大家研究用常规超导体做一些超导应用。正因为中国很早就有这方面的科研队伍,在1980年代时,瑞士科学家发现铜氧化物高温超导现象后,中科院物理所赵忠贤老师的团队很快发现了90K以上的铜氧化物超导体。

这个发现的意义非常重大,因为以前的超导体都是40K以下的,没有经典理论的上限,即使是瑞士人发现的镧钡铜氧体系也只有35K。赵老师等发现的钇钡铜氧材料可以达到90K以上,超过了液氮温度(77 K)。因为液氮非常便宜,制冷成本就大大降低了,这个发现的重要性是不言而喻的。

在2008年,中国科学家又做出了贡献——铁基高温超导。铁基高温超导是日本人最早找到的材料,但起初温度只有26K。赵忠贤院士带领中科院物理所团队,还有中国科大等国内团队,在一个月内把最高温度提升到55K,许多铁基超导材料物性的第一次测量都是中国人做的,目前来看铁基超导材料有极大的应用价值和科研价值。

由于在铜基超导方面几十年的积累,当时我们的实验技术和理论方面都非常强。到现在为止,中国科学家在超导的国际舞台上都有非常重要的角色,尤其是近几年达到了前所未有的顶峰状态,有很多新的超导现象、高端论文、前沿应用都来自中国,我相信未来中国超导的发展会越来越好。

问:这篇室温超导论文的作者已经成立了公司,也申请了专利。以此来推测,不给出实验样品或材料,他们是故意藏着掖着,还是真的掌握了技术,想去做商业化的使用?假如我们中国掌握了技术,我们会怎样分享它?

罗会仟:愿不愿意分享纯粹是个人行为。我觉得他不愿意把材料告诉大家,有一种可能性是他自己压根没有研究清楚。他确实注册了公司,是否有利益方面的考虑也无可厚非。

原则上说,在基础研究领域,保持开放合作交流的态度是第一位的。如果你不开放、不合作、不交流,你就会永远受到别人的质疑。当然我想特别提醒大家,这个东西出来后并不意味它以后的经济价值就有多大,大家不要那么着急,因为一个材料从出来到应用,路还特别远。

问:如果Dias的研究是成立的,这个领域会很快成为创业或投资的热点吗?会不会形成国家之间的竞争?会不会被美国垄断?

罗会仟:不用担心被垄断。我们假设业界真的做出来常压下能用的室温超导,它里面有重要的稀土元素镥,是我们的国产货,中国是稀土大国。

这几天也有不少投资人问我。我是希望大家能够冷静下来,因为从材料走到产业化要克服很多困难。我具体说说,其实并不是常温常压下它超导了就能用了,因为超导体还有3个重要参数——临界温度、临界磁场、临界电流密度。

临界温度和临界磁场不能太高。临界电流密度怎么理解呢?大家可以想象,一个材料如果电阻是零,根据欧姆定律,电流可以无穷大,但这个说法肯定是错误的,任何材料电流的密度都不可能是无穷大。

超导也有电流密度的上限,一旦超过,瞬间就会“不超导”。3个临界参数当中,超过任何一个都会瞬间“不超导”,就会产生电阻。材料在很大电流的情况下突然来了电阻,会很快发热,温度上来,它就越发“不超导”了。这是很危险的,因为通常低温超导体泡在液氦里面,液氦瞬间汽化是非常可怕的。

这3个参数是物理上的考虑,工程上还有更多条件的约束。一条线绕成螺旋管很简单,但更复杂的螺线管就不那么好说了。超导线应用的第一步是做电缆,好几股线像编辫子一样绕成缆,这个过程就不能让它的指标下降,但你一拽,它变形了,指标还不能下降,这是很困难的。

所以理想化的指标放在实际的应用场景,会下降几个数量级。所以发现了材料也不一定用得上。事实上我们现在已经找到了上万种超导材料。这么多超导材料哪个好用?事实上,还是大概几十年前发现的铌钛合金,又结实又好用,它的超导温度非常低,全球超导产业的绝大部分情况还在用铌钛线或铌三锡这种传统材料。

问:回到我们今天的话题:室温超导真的来了吗?是否可以设想,在我们能触及的生活里,比如未来50年室温超导的应用情况?

罗会仟:其实我们今天已经在用超导了。大家去医院做核磁共振,要把身上的金属物品都摘掉,核磁共振的大圆圈就是超导的磁体。现在医院大部分核磁共振是3个特斯拉的,几乎都是超导磁体,而且不少是国产的。

为什么用超导磁体来做核磁共振呢?因为超导磁体那么大的线圈能提供很强的磁场,而且做核磁共振还要求有一定的磁场梯度,精度要求很高。

还有个好处,它的线圈是泡在液氦里面的,闭合的线圈,通常电流就在里面跑,就不用再通电了,可以省电,只需要消耗点液氦而已,相对来说成本是降低的。

十几年前,核磁共振非常贵,要几千到一万块钱,一般人做不起;现在几百块钱就能做了。我希望未来核磁共振可以做到更好。现在7个特斯拉可以实现商业化,12个特斯拉是有做动物实验的,将来希望能做到14个特斯拉。14个特斯拉的分辨率可以达到亚微米级别,可以分辨我们的神经元细胞,可能在未来十几、二十年就可以实现了。

所以大家不用觉得超导技术离我们很远,还有个典型的应用——超导输电,零电阻,不发热,无损耗。实际上它成本还是很高,因为你要用超导,需要低温,制冷机、包括电线本身还有成本,单个来讲,比普通高压输电成本高。但我们已经在用。

深圳第一高楼平安大厦的地下就埋了一条高温超导的电缆,今年已经试运行,为什么这么做呢?这么一座大楼的耗电量很大,你用高温超导的电缆,可以在通很大电流的情况下,没有损耗,不发热,是非常方便的。那为什么要用这么贵的呢?

很简单,深圳的地价很贵,如果在地面上架电线,周围多少米之内不能盖房子,地皮就损失了很多钱;而超导电缆是埋在地下的。再加上现在有很便宜的国产GM制冷机,几万块钱就可以买一个。总体成本算下来,比地皮便宜不少。

 
 
 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
中国超重元素研究加速器装置刷新纪录 彩色油菜花又添7色!总花色达70种
考研复试,导师心仪这样的学生! 地球刚刚经历最热2月
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文