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108年10个诺贝尔奖,火爆的超导到底能带来啥?

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发表于 2019-7-31 16:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
108年10个诺贝尔奖,火爆的超导到底能带来啥?

返朴
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“超导研究的历史虽然只有108年,但是通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。”
撰文 | 罗会仟

                               
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罗会仟
中国科学院物理研究所副研究员

我今天要讲的超导与市场上的超导空调、冰箱、浴霸无关,与军事上说的超级导弹也没有关系。


                               
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神奇的悬浮小矿石

今天讲的超导跟上图神奇的小矿石有关。电影《阿凡达》中给我印象最深的是潘多拉星球上的山。这些山不是长在地上的,而是长在天上的,是一个很神奇的世界。


                               
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电影《阿凡达》剧照

这个山非常大,图片中的直升机就是一个小黑点。山为什么能够悬浮在天上?因为山里面有一种神奇的矿石,室温超导矿石。

什么是超导

                               
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通过超导获诺贝尔奖的科学家们

超导的研究就像科幻电影一样,特别“高大上”。超导研究的历史虽然只有108年,但是通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家一共有10位。

超导研究是物理里很小的分支领域,但是有这么多的科学家直接因为超导研究获得诺贝尔奖,可见非常重要。


                               
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电子在材料里“跑”

为什么要研究超导呢?这是现在凝聚态物理所研究的一个基本的问题。我们知道,一个材料是由原子组成的,电子在材料里“跑”,必然会受到一定的阻碍,这种阻碍叫电阻。


                               
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各种各样的导体

生活中有各种各样的电器,每种电器都有电阻。根据电阻大小可以分出绝缘体、半导体、导体。

物理学家有一个很简单的方法对其进行区分,就是看这个电阻随温度怎样变化。

如果电阻随温度下降而下降,这种物质就叫作导体;如果电阻随温度下降而上升,这种物质就叫作绝缘体。

温度下降到很低的情况下,电阻会有什么变化?早期,物理学家并不能解决这个问题。没有办法做实验,就只能猜想。

著名物理学家开尔文说:材料在很低的温度下,电子会冻住,直接的结果是电阻会上升;但是物理学家马西森预言:随着温度下降,电阻也会减小。

材料里面有杂质,必然产生一部分剩余电阻,这部分电阻不受温度影响。所以到了绝对零度,电阻依然存在。

物理学家杜瓦猜测,如果找到一个没有任何杂质和缺陷的导体,可能就会存在一种理想的材料,到了绝对零度的时候,它的电阻为零。

后来,荷兰物理学家昂尼斯的实验证实,以上三个推测都不对。其实有一种材料,它的电阻随着温度下降而下降,到某一个温度,电阻突然变成了0。


                               
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超导材料金属汞

科学家找到的第一个超导材料就是水银温度计里的水银,即金属汞,为什么找这个材料呢?

因为金属汞在常温下是液态的,它就是一个几乎没有杂质和缺陷的完美金属测量这个材料电阻的时候,发现温度在4.2K以上还有0.1Ω的电阻,一旦低于4.2K,电阻就小于10-5Ω,测不到了,电阻是0昂尼斯把这个现象称之为超导。

我们今天要找的超导其实是把这两个字拆开来看,“超级”“导电”。超导体的导电性能特别好,以至于电阻是零,这个研究发现获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

超导还有一个很神奇的性质,它还有磁的效应。我们经常说电生磁,磁生电,电和磁不分家。

1933年,德国科学家迈斯纳发现了超导的磁效应,简单来说,超导具有完全的抗磁性。

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超导= 完全抗磁

图中蓝色小球就代表超导体,把它放到磁场里,这个磁通线会绕着它走,无论是先加磁场后降温变超导,还是先降温变超导再加磁场,结果都一样。

磁通线进不去,以至于它内部的磁感应强度也是零。有电和磁两个效应,我们就说这是超导体了。


                               
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超导的热力学效应

超导还有第三个效应——超导热力学效应。超导是一个热力学现象,也是一种宏观量子的效应。超导热力学效应是三位理论家在1950年提出的,获得了2003年的诺贝尔奖。

超导的基本原理

                               
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超导是有相关理论解释的,这个理论就叫作BCS理论,以三位科学家名字命名,一位叫Bardeen,一位是Cooper,一位是Schrieffer,BCS是他们名字的缩写。

在提出这个理论之前,我们很熟悉的一些物理学家,比如爱因斯坦、费曼、海森堡等人都曾试图解决超导的问题,都失败了。但是,这三位科学家成功了。

他们推测了从一个电子变成两个电子的情况,一个电子单独跑肯定会受到阻碍,两个电子配对跑为什么不会受到阻碍呢?


                               
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单行苦奔遇阻力 双结生翅成超导

我们可以把电子当成只有一个翅膀的小蜜蜂,一个翅膀的小蜜蜂飞不起来,但是左翅膀抱右翅膀,两个蜜蜂配对就飞起来了,这叫作双结生翅成超导。这是BCS理论的精髓。

三位科学家中有一个重要的人物叫Bardeen,他是世界上唯一一个获得两次诺贝尔物理学奖的人,第一次获诺贝尔物理学奖是因为发明半导体晶体管,改变了整个人类世界。

超导应用
超导有很多重要的效应,有电和磁的效应,有热力学的效应,但是超导材料到底有什么用呢?

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无损耗超导输电

首先,一切用到电和磁的地方都可以用到超导体。比如输电,为了减少输电的损耗,只能加几千伏上万伏的电压,即使这样还是会有大约15%的损耗。

如果用超导,就可以把这个损耗省掉,因为它的电阻是零。15%可能意味着以后人类的能源能多用100~200年,这是非常重要的。


                               
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高分辨超导核磁共振成像

如果各位去医院做核磁共振,医生会让你把身上的金属物品摘掉,因为我们要进入这个“大圆圈”里去。这个“大圆圈”是超导磁铁,有很强的磁场

超导磁场的分辨率非常高,以目前的技术水平,把大脑里面上百亿个神经元全部测清楚也是指日可待的。以后想知道你脑袋里想什么,扫一扫就可以了。


                               
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高速超导磁悬浮列车

生活中,大家比较熟悉的可能是高速超导磁悬浮列车。现在坐高铁,北京到上海最快的速度是350千米每小时,高铁试验的速度能达到450千米每小时。

超导磁悬浮列车到底有多快呢?日本的试验中,速度能达到600千米每小时以上。

科学家有一个很大胆的想法,如果把这个磁悬浮的轨道放在真空管道里面去,这个时候没有空气阻力,速度有多快呢?

至少能达到3000千米每小时以上,如果以3000千米每小时的速度行驶,北京到上海只有半个小时,人可能不敢坐,但是以后可以用于发快递。


                               
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高场超导加速器磁体

基础研究也非常重要,粒子物理学研究这几年非常火。希格斯粒子研究也拿到了诺贝尔奖。

如今做高能物理实验的粒子学家离开超导体就无法工作了,因为要把粒子加速器的能量提到很高,必须依靠很强的超导磁体,没有超导磁体他们也许就无法进行实验。


                               
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超精密超导量子干涉仪

超导可以承载很强的磁场和电流,这就是之前讲的超导强电应用,其实超导还有弱电应用。超导体可以做成一个器件——超导量子干涉仪。

这个器件有什么作用呢?它是世界上最精密的磁探测器,一根磁通线都能测出来。

比如,芯片做好之后出现问题,不知道哪里断了,用这个探测器一扫就知道了,极细的纳米级的芯片都可以扫出来。

寻找超导材料之路
讲了这么多超导的应用,但我们发现生活中并没有人使用超导手机、超导电脑、超导电视和超导冰箱等。

什么超导不能像电影中那样普适呢?原因很简单,就是我们找到的所有超导材料都不好用。

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一个好用的超导体需要“三高”

要找到一个好用的超导体,必须具备“三高”,“三高”包括高临界温度,高临界磁场和高临界电流。

超导体要有足够的温度才能超导,磁场太强也会破坏超导,电流太大也不行,必须三个条件都很高,这个材料才好用。

三方面都很高很难,物理学家不知道具体怎么样提高临界磁场和临界电流密度。我们就去找合适的高临界温度超导材料。从第一个金属汞开始。


                               
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超导单质元素

后来科学家把整个元素周期表都扫一遍,对每一个元素的单质进行测试,看看是不是超导。结果令人惊讶,发现很多元素单质都是超导体,但是导电最好的金、银、铜不是超导体。


                               
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超导二元合金

找完单质,就去找元素化合物,比如说最高超导温度的单质是金属铌,金属铌的Tc[超导材料由正常态转变为超导态对应的温度,以Tc表示]是9K,寻找铌的化合物,比如碳化铌、氮化铌。

氮化铌的Tc为16K,还不错。再合成铌三烯、铌三锗一系列的化合物,科学家发现铌三锗这个材料的超导温度可以达到23.5K,很高了(那个时候把Tc高于20K以上的叫作高温超导体)。


                               
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麦克米兰红线:看不见的天花板

找了各种化合物之后,理论家还做了个计算,结果比较悲观:超导温度似乎是有上限的,上限是40k。

这个数字相当于看不见的天花板,好像超导材料Tc永远都超不过40K。


                               
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马蒂亚斯:老司机的告诫

实验物理学家也喜欢预言。比如,一位名为布兰德·马蒂亚斯的物理学家(发现铌三锗)认为探索新的高温超导材料有6个条件:

晶体结构高对称性,电子的态密度要高,不能有氧,不能有磁性,不能是绝缘体,不要相信理论家的胡说八道。这6条到底哪一条是对的呢?

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来自IBM的绝境逆袭

J. Georg Bednorz和K. Alex Muller是来自IBM的两位科学家,他们发现的超导材料是一个氧化物,化学式叫钡镧铜氧。

它是准二维结构,低载流子浓度,氧化物,母体是绝缘体,有磁性,这说明前面5条全错了,只有第6条可能对。这个材料的超导温度能够达到35K,已经逼近40K红线。

这个材料是在1986年12月被发现的,在1987年10月获得诺贝尔奖。为什么他们能这么快获得诺贝尔奖?

这要感谢中国人,是中国人的帮助让两人这么快就获得了诺贝尔奖。


                               
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来自华人世界的神助攻

他们主要是中国科学院物理研究所的赵忠贤院士、美国休斯顿大学的朱经武教授以及台湾中央研究院院长吴茂昆。

他们发现一个材料叫做钡钇铜氧,与钡镧铜氧只差了一个元素,换了一个元素之后,这个材料的Tc奇迹般地变成93K。

这是什么概念?40K的红线不存在了,理论家的预言被推翻。93K意味着我们突破了液氮温区。

我们以前做超导只能利用液氦,液氦很贵。一升液氦需要好几百元,而一升液氮只要1元。

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铜基高温超导体

因为温度很高且价格便宜,科学家找到了一系列的铜氧化物高温超导材料。铜基高温超导体,目前能达到134K的超导温度,加压可以达到165K。


                               
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“高富帅”的烦恼

温度高了就好了吗?虽然温度高,但我们发现这个材料不太适合应用,因为它是铜氧化物,属于陶瓷材料,很脆,一碰就会碎掉。

为了保护这种材料,要覆上多层薄膜等很复杂的东西才勉强能使用,所以这种材料“不好用”。


                               
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“印象派”的抓狂

那么我们能不能解释这种材料的超导温度为什么这么高,进而寻找到Tc更高的超导材料呢?

这是高温超导的电子态实验数据,跟印象派的画一样,乱而难懂。我们只能看看有没有新的路可以走。


                               
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“大雄哥”来救场

2008年,科学家发现了一种很重要的材料——铁基超导体,发现者是日本科学家细野秀雄。他发现镧铁砷氧氟材料的超导温度可以达到26K。

20k以上已经很高了。中国科学家敏锐地注意到这个材料很重要,接着把镧氧铁砷氟中的镧换成了其他的镧系元素。

奇迹出现了,他们发现换了一个元素的钐铁砷氧氟的超导温度可以达到55K。从26K到55K是质的飞跃,40K的红线又一次突破了。

这意味着新一代的高温超导体已经诞生,那就是第二大高温超导体家族——铁基高温超导体。


                               
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见证 “中国速度”

现在,科学家发现了很多铁基高温超导体的家族成员,其实很多铁基超导体是中国人发现的。

铁基超导块体材料目前最高温度可以达到55K,薄膜可以达到65K,而且这个铁硒薄膜很神奇,只有一层原子的厚度。

总结一下什么叫高温超导。需要解释一下,高温超导的温度并不高。

我们以40K的麦克米兰红线为标准,能够超过40K的材料叫作高温超导材料,目前达到这个标准的材料只有两种,铜基和铁基。


                               
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不同材料的临界温度

40K是什么概念呢?相当于-233℃,比月球的最低温度还要低。只是相对于第一个超导材料金属汞来说温度高一些而已。

我们人类希望能够找到室温超导体,室温有一个严格的定义,在物理学里面室温就是300K,27℃。

我们最终希望找到300K以上的超导体,物理学家就去找了很多超导材料,找到了1万多种,有机的、无机的,各种各样,统统不好用。


                               
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爱喝水的超导  vs  有酒品的超导

物理学家发现两个有趣的超导体,一个爱“喝水”,一个爱“喝酒”。

左图的材料本身不超导,把它放在蒸笼里面蒸一蒸,像蒸包子一样蒸熟了,这个材料就变成超导体了。

右图的材料本身也不超导,把它放到各种酒里面泡几遍,这个材料就超导了。但是将这个材料直接泡在乙醇(酒精)水溶液中是不超导的。这家伙特别有“酒品”,特别喜欢某种红葡萄酒。


                               
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防晒霜里有玄机

超导也隐藏在我们身边。大家每天抹的防晒霜中就有超导体,里面有一种材料叫作对三联苯,中国科学家就发现这个材料里面可能存在125K的超导体,当然它还没有被实验证实。


                               
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扭扭捏捏石墨烯

超导材料的发现很有趣。去年,来自中国科大少年班的曹原发现了扭角石墨烯,把两层石墨烯堆在一起搭个积木,转个角度,超导便产生了,很神奇,但是这个超导温度很低,只有1K左右。

室温超导的未来

                               
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压力山大更超导

我们到底有没有可能实现室温超导呢?其实,压力大一点就可以帮科学家实现室温超导。

比如说氢在常温下是气体,两个金刚石对着压就会变成金属氢,金属氢就是传说中的室温超导体。

制造金属氢很难,前几年两位哈佛大学的教授发现金属氢,但是在测试是否为室温超导体的过程中金刚石碎掉了,氢就没了。

我们可以换一种思路,做氢的化合物,做硫化氢,在材料里面加200万个大气压,也能实现200K以上的超导。

最近,科学家又发现在镧氢10里面加200万个左右的大气压,可以达到临界温度250K。

250K是什么概念?是-23℃,在东北就当作室温了。


                               
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一起去木星 挖室温超导矿

200万个大气压不是哪里都有,在地球内部有,在木星内部有。

木星是一个巨大的氢气球,里面有很多的氢气,里面有内核,内核周围就是金属氢。

如果大家想找室温超导怎么办?我们可以钻到木星里面去,就可以找到室温超导体。

如果真正实现室温超导的话,对我们的生活会产生什么影响呢?比如,以后在家里就能搞一个非常酷的悬浮沙发躺着看电视,磕瓜子。

我们走出房间,可以看到天上有悬浮的城市,地上有悬浮的汽车,不只是悬浮的高铁了。


                               
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未来超导世界:量子时代

生活中,可以使用超导量子器件,比如,把半导体芯片换成超导芯片就可以造量子计算机。

大家不要觉得量子计算机离我们很远,实际上IBMQ已经存在了。

量子计算机的运算速度非常快,用现在的计算机计算可能需要100年,在量子计算机上只需要0.1秒。

如果实现了超导可能也会帮助我们造一个非常厉害的发动机,这个时候就可以驾驶着飞船流浪整个宇宙。

超导看起来离我们很远,实际上离我们生活非常近我们中国也有行动计划,计划10年之内要有自己的量子计算机。

也许一二十年之后,大家就可以享受超导带给我们的未来生活了。


                               
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