川觀新聞?dòng)浾?徐莉莎
全球熱議的“室溫超導(dǎo)”新突破，或已被光速證偽。
3月15日，南京大學(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心聞?；F(tuán)隊(duì)，提交了一篇包括9名作者、長達(dá)16頁的研究論文，直截了當(dāng)否定了美國羅切斯特大學(xué)蘭切·迪亞斯團(tuán)隊(duì)的室溫超導(dǎo)研究結(jié)論。
就在8天前，迪亞斯宣稱，他的團(tuán)隊(duì)在1GPa（約1萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下，實(shí)現(xiàn)了294K（21℃）的室溫超導(dǎo)。消息一經(jīng)傳出，立刻轟動(dòng)全球。
很快，分別有三個(gè)中國團(tuán)隊(duì)相繼“復(fù)刻”了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，沒能得到同樣的結(jié)果。
超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)百余年以來，引無數(shù)物理學(xué)家“競(jìng)折腰”。專門授予超導(dǎo)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)就有5次，其他與超導(dǎo)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)更是數(shù)不勝數(shù)。
超導(dǎo)為何如此迷人？在四川，科研人員圍繞超導(dǎo)，有哪些典型的研究和應(yīng)用？
它是諾獎(jiǎng)“收割機(jī)”，引無數(shù)物理學(xué)家“競(jìng)折腰”
超導(dǎo)，其實(shí)就在我們身邊。顧名思義，超導(dǎo)就是超級(jí)導(dǎo)電的意思。
1911年，荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂尼斯團(tuán)隊(duì)打開了超導(dǎo)的大門。他在研究低溫下金屬汞的電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)汞的電阻變?yōu)榱悖堰@個(gè)具有零電阻的導(dǎo)體稱之為超導(dǎo)，把發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度定義為臨界溫度。隨后，德國科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體還具有特殊的磁性質(zhì)——完全抗磁性，即當(dāng)超導(dǎo)體材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，所有的外磁場(chǎng)磁力線將被排出導(dǎo)體體外。
中科院物理所研究員羅會(huì)仟科普，一個(gè)材料能否稱之為超導(dǎo)體，必須同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性兩個(gè)獨(dú)立的物理性質(zhì)。因?yàn)檫@些神奇的特性，超導(dǎo)材料具有許多潛在應(yīng)用。
電流穿過電子設(shè)備時(shí)，會(huì)遭遇電阻，導(dǎo)致能量以熱量的形式損失掉。當(dāng)我們的手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或充電時(shí)會(huì)發(fā)熱，就是這個(gè)道理。而超導(dǎo)是零電阻，所以電流可以在超導(dǎo)體中沒有阻力、熱損耗、衰減地流動(dòng)?？梢哉f，有電的地方，就有超導(dǎo)的用武之地。
如果開發(fā)出這種材料，實(shí)現(xiàn)近常溫的應(yīng)用，那能源、醫(yī)療、國防、核聚變研究等方面都能獲益。
例如現(xiàn)階段最高效的特高壓交流輸電技術(shù)，需要經(jīng)過變電站，以市電電壓傳輸?shù)礁骷腋鲬?，長距離傳輸會(huì)帶來電能的損失，造成能源浪費(fèi)，加重環(huán)境的負(fù)擔(dān)。而零電阻的超導(dǎo)電路，就完全不需要變電站，可以在較低電壓下進(jìn)行高功率傳輸，零損耗地傳輸電能，可以為能源行業(yè)帶來革命性的變化。
此外，室溫超導(dǎo)技術(shù)還能夠推動(dòng)超導(dǎo)磁懸浮列車的研發(fā)、解決大容量電子芯片線路過熱等技術(shù)難題。
盡管有廣泛的應(yīng)用前景，超導(dǎo)領(lǐng)域卻一直面臨困境——超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)必須依賴一定的條件。其中最關(guān)鍵的是超導(dǎo)臨界溫度不能超過40K（即零下233.15℃）。這樣一來，超導(dǎo)體必須通過昂貴的降溫技術(shù)，比如液氮、液氫，極大增加了超導(dǎo)的應(yīng)用成本。
為了讓超導(dǎo)體規(guī)?；瘧?yīng)用，常壓、室溫超導(dǎo)體引得科學(xué)家們“競(jìng)折腰”。在100多年的時(shí)間里，科學(xué)家們主要做的一件事情，就是不斷地尋找更高溫度的超導(dǎo)體，刷新超導(dǎo)臨界溫度的紀(jì)錄。但科學(xué)界一直未能破解室溫超導(dǎo)性的密碼。
也正因如此，迪亞斯團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)的近常壓的室溫超導(dǎo)體才引發(fā)廣泛關(guān)注。
四川學(xué)者近日在《自然》雜志刊文，找到鎳基超導(dǎo)看不見的“手”
在探尋室溫超導(dǎo)之路上，四川也有不少科研人員為之著迷。
就在3月2日，電子科技大學(xué)物理學(xué)院教授、凝聚態(tài)物理研究所所長喬梁在《自然》上發(fā)表研究成果。文章指出，氫元素是一只“看不見的手”，它悄悄改變了制備出的材料的物理性能，是影響鎳基超導(dǎo)電性關(guān)鍵而又隱秘的元素。
喬梁團(tuán)隊(duì)為理解鎳基超導(dǎo)的物理起源提供了關(guān)鍵信息。
都是超導(dǎo)材料，鎳基超導(dǎo)又是怎么一回事？超導(dǎo)現(xiàn)象雖然看似神奇，但卻普遍存在于各種化合物之中。1968年，美國物理學(xué)家威廉·麥克米蘭預(yù)言，得到最大超導(dǎo)體臨界溫度約是30—40K，也就是所謂的“麥克米蘭極限”。1986年，這一預(yù)言被打破。兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體，臨界溫度35K。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了銅基超導(dǎo)研究的熱潮。美國休斯頓大學(xué)的華裔物理學(xué)家朱經(jīng)武團(tuán)隊(duì)找到一種超導(dǎo)臨界溫度高達(dá)93K的銅氧化物陶瓷材料。
“為什么銅基超導(dǎo)可以打破麥克米蘭極限？”喬梁說，到目前為止仍不能解釋。能不能借助一個(gè)類銅的材料，通過對(duì)其超導(dǎo)機(jī)制的研究，反推銅基超導(dǎo)的機(jī)理？在元素周期表上，鎳與銅相鄰，過去10年來，不少物理學(xué)研究者也踏上了鎳基超導(dǎo)這條路。中國科研團(tuán)隊(duì)擅長于鐵基超導(dǎo)的研究，在對(duì)銅基超導(dǎo)物性研究和機(jī)理研究中，來自中國的聲音并不多。
2019年，美國斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在基于無限層結(jié)構(gòu)的鎳氧化物外延薄膜中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性?！皬臒o到有，具有劃時(shí)代的意義！”喬梁回憶起當(dāng)時(shí)的心情。最讓他興奮的是，他博后期間，正是在做這類薄膜。在此之前，他沒有做過超導(dǎo)領(lǐng)域的研究?！拔覀円灰囈辉?？”喬梁和團(tuán)隊(duì)商量。當(dāng)年9月，他和團(tuán)隊(duì)“半路出家”，走上了鎳基超導(dǎo)之路。剛開始的研究并不順利，在疫情、實(shí)驗(yàn)室搬家等客觀因素影響下，到2021年4月，喬梁團(tuán)隊(duì)才成功“重現(xiàn)”了鎳基超導(dǎo)樣品。
鎳基材料為什么可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)？為什么只有全球幾個(gè)團(tuán)隊(duì)可以做出來？當(dāng)不同科學(xué)家的課題組制備的材料樣品頻繁出現(xiàn)“性能不能重現(xiàn)”的問題時(shí)，第一直覺告訴他——材料內(nèi)部可能存在著不為人知的“隱變量”，悄悄改變了制備出的材料的物理性能。
團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)樣品里氫的調(diào)控實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果溫度不變，逐步增加還原時(shí)間，會(huì)發(fā)生“弱絕緣→超導(dǎo)→弱絕緣”的變化。為什么調(diào)控時(shí)間會(huì)引起這樣的變化？“黑匣子”內(nèi)，到底誰是那只“看不見的手”？
元素周期表排名第一的氫元素，具有最小的原子半徑和原子質(zhì)量，其無處不在又很難被探測(cè)到。考慮到“藏在角落”的氫有可能顯著改變材料的電子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性質(zhì)，聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)中用到的還原劑鈣化氫。喬梁想，“會(huì)不會(huì)是氫元素在起作用？”在合作者的幫助下，他們發(fā)現(xiàn)了鎳基超導(dǎo)外延薄膜中存在大量的氫元素，還進(jìn)一步“鎖定”了氫元素在材料內(nèi)部的原子占據(jù)位置。
鎳基超導(dǎo)中氫元素作用示意圖。受訪者供圖
喬梁凡事喜歡多問一個(gè)“為什么”。通過進(jìn)一步研究，他們揭示了氫元素起作用的微觀機(jī)制?！斑@只‘看不見的手’在無限層結(jié)構(gòu)鎳基氧化外延單晶薄膜的制備過程中，悄悄地起到改變費(fèi)米面電子結(jié)構(gòu)的作用，并在鎳基材料超導(dǎo)電性的產(chǎn)生過程中扮演著關(guān)鍵性的角色?！?/p>
該成果為理解鎳基超導(dǎo)的物理起源提供了關(guān)鍵信息，也為未來深入理解鎳基超導(dǎo)的相關(guān)物理和材料性能，提供了準(zhǔn)確的物理模型。
在四川，高溫超導(dǎo)托舉起十幾噸重的列車
除了研究超導(dǎo)材料，在四川，也有科學(xué)家在積極開展高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究，其中誕生了一個(gè)重要領(lǐng)域的研究應(yīng)用——高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)。上世紀(jì)80年代起，西南交通大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)就在進(jìn)行原理驗(yàn)證。
西南交大九里校區(qū)，牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室門口，一輛重逾10噸的鴨嘴型磁懸浮列車車體，靜靜地“浮”在軌道上。仔細(xì)看，整個(gè)車體離軌道尚有10毫米左右的空隙。
2021年1月13日上午，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)九里校區(qū)正式啟用。 川觀新聞?dòng)浾?華小峰 攝
自2021年1月工程化樣車正式啟用，政商學(xué)界的來訪者絡(luò)繹不絕。大家好奇：世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線，到底什么樣？預(yù)期運(yùn)行時(shí)速600公里，坐起來什么感覺？
“你看到的是兩條不銹鋼平板取代了傳統(tǒng)鋼軌軌道，實(shí)際上不銹鋼板下方才是我們真正的軌道——永磁體?！蔽髂辖煌ù髮W(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司技術(shù)中心副總工程師李艷說。在樣車底部，一個(gè)名為“杜瓦”的盒子里，則裝著超導(dǎo)塊材。利用超導(dǎo)體的釘扎特性，即超導(dǎo)體和永磁體之間產(chǎn)生了“若即若離、又不離不棄”的懸浮力和導(dǎo)向力，超導(dǎo)釘扎磁浮得以實(shí)現(xiàn)。
李艷表示，“現(xiàn)階段，超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)需要一定的低溫條件。”為了維持超導(dǎo)塊材的自穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，唯一需要的是制冷劑液氮，零下196℃的液氮使超導(dǎo)材料一直處于超導(dǎo)狀態(tài)。在試驗(yàn)線旁側(cè)，配備有液氮制備機(jī)、液氮罐和自動(dòng)灌注系統(tǒng)。
她期盼著，如果未來能用上在大氣環(huán)境下工作的室溫超導(dǎo)材料，這些降溫所需制冷劑和設(shè)備都可以取消，將會(huì)進(jìn)一步提升磁浮列車的應(yīng)用價(jià)值。
而超導(dǎo)材料的應(yīng)用十分復(fù)雜，不止是提高臨界溫度這么簡單。找到這樣的材料，宛如大海撈針。
此外，羅會(huì)仟認(rèn)為，并不是找到了一種室溫超導(dǎo)體，就馬上能用了，就立刻帶來技術(shù)革命、能源革命，現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)到不了這個(gè)地步。從工程應(yīng)用上說，還會(huì)有很多非常細(xì)節(jié)、非常復(fù)雜的問題，對(duì)制備材料提出更高要求。
“室溫超導(dǎo)肯定是很難的，哪有那么容易呢？”聞?；⒃诮邮懿稍L時(shí)說，“室溫超導(dǎo)是很長遠(yuǎn)的夢(mèng)，但是我們心中要存有這個(gè)長遠(yuǎn)的目標(biāo)，認(rèn)真去做。”
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