深度解读“人类首次实现室温超导”:思路并无突破,中国并不落后

科学
深度解读“人类首次实现室温超导”:思路并无突破,中国并不落后
麻省理工科技评论 2020-10-15

2020-10-15

这篇刊登在《自然》封面的研究,和之前的研究思路并没有太大区别,它唯一的重要性就是把临界温度纪录又提高了。
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这篇刊登在《自然》封面的研究,和之前的研究思路并没有太大区别,它唯一的重要性就是把临界温度纪录又提高了。

这篇刊登在《自然》封面的研究,和之前的研究思路并没有太大区别,它唯一的重要性就是把临界温度纪录又提高了。“最终总有一天,我们有希望在这一类材料里面达到室温下稳定的超导材料,而不再需要这么高的压力条件,那个时候超导研究的历史性突破就真的实现了。”

室温超导体材料能够在无需冷却的条件下零电阻导电,一旦实现,将对我们的电网基础设施、高精尖物理科研设备、量子计算、通信设备等诸多领域产生革命性影响。

百余年来,科学家们一直在探索超导的理论极限,据统计,通过超导研究直接获得诺贝尔奖的科学家已有 10 位,其重要性可见一斑。美中不足的是,之前所有超导体均需要在极低的冷却温度环境下才能工作,这大大限制了它作为一项利基技术进行大范围应用的步伐。

最近 5 年,室温超导作为终极冲刺目标,世界各国科研团队在实验室中展开了超级竞赛,其中一个团队终于刷新纪录。

10 月 15 日,《自然》杂志以封面报道形式刊登了这项成果,新发现被誉为“第一个室温超导体”,论文通讯作者为美国罗切斯特大学工程与应用科学学院的助理教授兰加 • 迪亚斯(Ranga Dias),他们报告了一种含有氢、硫和碳的化合物,可在高达 287.7±1.2K(约 15°C)的临界温度下实现室温超导性。与之对照,上一次实现的最高超导临界温度纪录是 260K(约 - 13.15°C),由乔治华盛顿大学和华盛顿卡内基研究所的一个竞争小组在 2018 年实现。

与之前的超导实验类似,这次实验需要极高的压力。罗切斯特大学的新纪录是在高达 267±10 吉帕(GPa,109帕斯卡)的压力条件下实现,这大约为 250 万个大气压,是地下 4500 公里深处的压力。

这一突破是否意味着室温超导时代即将到来?

深度解读“人类首次实现室温超导”:思路并无突破,中国并不落后

图|室温超导材料的概念图(来源:Nature)

超导 “升温” 百年角逐

1911 年,科学家们最早观察到超导现象。第一批超导体材料只有在极冷的温度下才会失去电阻,最初实验温度接近绝对零度。零 K,也即 - 273.15℃。此后数十年,科学家经过一系列努力,缓慢地将这个温度提升至 23.2K。

到上世纪 80 年代,物理学家们试图通过各类材料组合探索所谓的 “高温” 超导体,超导材料家族扩展到包括金属和合金、铜氧化物、重费米子、有机超导、铁基超导体以及其他氧化物超导体等,逐步把超导材料的临界温度提升上来。

1986 年,设在瑞士苏黎世的美国 IBM 公司研究中心报道了一种镧钡铜氧化物,具有 35K 的高温超导性,标志着新一类铜氧化物高温超导体的出现。此后多个研究团队开始陆续公布进展。

科学家麦克米兰曾根据获 1972 年诺贝尔奖的 BCS 理论计算,认为超导临界温度最高不太可能超过 40K(约 - 233℃),他的推算得到了国际学术界的普遍认同,40K 因此被称为“麦克米兰极限”,成为超导材料要跨越的一个标志性温度。1986 年,美国贝尔实验室报告的超导材料,其临界超导温度就达到了 40K。

极限仍未结束。1987 年,中国科学家赵忠贤研究团队和美国朱经武、吴茂昆团队各自独立在钇钡铜氧系材料(Ba-Y- Cu-O) 中发现超导电性,并把超导临界温度从 40K 迅速提升到 93.2K,大大突破了麦克米兰极限,铜氧化物成为第一个真正意义上的高温超导家族,而赵忠贤等人的发现,也使得超导体所必须的低温环境,可由原本昂贵的液氦替代为便宜而好用的液氮来创造,液氮温区超导体为超导材料实用化打开了大门。

最新的这项研究,其实是几十年前科学家们曾预测的另一个方向,即氢元素在受到充分挤压时,可能在室温下变成金属,然后变成超导体。

2015 年,德国物理学家米哈伊尔 · 埃雷梅茨 (Mikhail Eremets) 研究小组曾报告, 硫化氢可在 203K(约 - 70°C)温度下出现超导电性,但需要施加高压到 220 万个大气压才能实现,但这个数值突破了铜氧化物超导材料保持多年的 164 K 纪录,这意味着在极端高压下,氢元素化合物中存在高温超导可能。

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图|罗切斯特大学 Ranga Dias 实验室展示了用于制造室温超导体的设备,包括钻石砧盒(蓝盒)和激光阵列(来源:University of Rochester)

2017 年,时任哈佛博士后研究员的迪亚斯(Dias)和哈佛物理教授伊萨克 · 席尔瓦(Isaac Silvera)报告说,他们已经制造出了人们长期以来所追求的氢金属形式,这种说法一直未被复制,许多业内专家对此持怀疑态度。

但科学家们也在同步研究氢与另一些元素的混合,希望其他元素的原子间的键有助于把氢压缩在一起。

到 2018 年,德国化学家发现十氢化镧在压力 170GPa,临界温度 250K(-23℃) 下有超导性出现。2019 年,美国科学家马杜里 · 索马亚祖鲁 (Maddury Somayazulu) 研究组宣布,在 190 万个大气压下,可以在 260K(约 - 13.15°C)时实现超导电性,成为超导临界温度的最高纪录,而氢化镧也被视为迄今为止最接近室温超导的材料方向。

悬而未决的神秘材料

关于这项 “首次实现室温超导” 的研究,作者迪亚斯在接受采访时表示:“这是一份改变游戏规则的论文,在某种程度上奠定了新基调。”

深度解读“人类首次实现室温超导”:思路并无突破,中国并不落后

图|本次室温超导实验的技术原理(来源:Nature)

但为了制造这种超导体,科学家们不得不将两颗钻石对顶砧间的物质挤压到每平方英寸近 4000 万磅的压力,将碳和硫按一比一的比例混合,把混合物碾成小颗粒,然后在注入氢元素的同时将这些小球挤压在两颗钻石对顶砧之间,激光照射在化合物上几个小时,以打破硫原子之间的键,从而改变该物质样品的化学性质和电子特性,由此产生了一种微小晶体,直径约为 30 万分之一米,虽然在低压下极不稳定,但它是超导的。

这种化合物起超导作用的研究条件极其苛刻,科学家们甚至不清楚他们到底合成了什么化合物,但他们表示正在开发新的工具来弄清楚这种新超导物质的特性,并且乐观地认为,一旦他们能够做到这一点,他们将能够调整组合成分,使化合物即使在较低的压力下也能保持超导稳定性。

研究人员表示,即使压力能降低一半,比如 100GPa,达到亚稳定状态,也将使工业化应用成为可能,例如更精确的磁传感器可用于矿产勘探,也可以用于检测大脑脑神经元的放电,此外还可以制造新的数据存储材料。

未来,如果这些材料能从微小的加压晶体扩大到更大的尺寸,不仅能在室温下工作,而且能在常规环境压力下工作,那将是一个更深刻的技术转变,人类将正式迈入室温超导时代。

新发现的 “神秘” 超导材料,温、压极限会达到什么程度?在如此高的临界温度下实现超导,其工作机理又是什么?真正有趣和重要的问题依旧悬而未决,有待进一步解析。

解析人类第一次 “室温超导” 实验

针对这项超导研究最新进展,中国科学院物理研究所副研究员、科普作家罗会仟为 DeepTech 介绍了超导研究领域的一些相关趣事和趋势。

罗会仟表示,很明显,纪录是再次刷新了,但其研究思路其实并不具有太多颠覆性,不值得我们太过震惊。

这一类相关研究大概是从 2015 年就开始了,即上文提到的德国物理学家米哈伊尔 · 埃雷梅茨研究小组提出的硫化氢材料,约在 220 万个大气压下,把超导临界温度纪录提升到了 203K。

“在高压下测出来的数据质量通常非常差,首次出现 203K 的纪录争议很大。大家不相信到什么程度?当时我是亲身经历的,那位德国的老教授在一场国际大会上做报告,会场下面约有 100 多位业内人士,没有一个人提问,什么意思?大家默认这个结果可能是假的,行业对于这种夸大的假报道已经特别疲劳,甚至懒得问了。”罗会仟回忆道。

但后来经过验证,2015 年德国团队能实现 203K 的超导确有其实,在此方向上,2019 年美国科学家马杜里 · 索马亚祖鲁进一步在 260K 实现超导电性。今天这篇刊登在《自然》封面的研究,和此前两种材料相比很类似,研究思路并没有太大区别,它唯一的重要性就是把临界温度纪录又提高了。

深度解读“人类首次实现室温超导”:思路并无突破,中国并不落后

图|罗会仟简介(来源:中国科学院物理研究所)

“大家总会有一种想法,就是我们要去破纪录。这项实验需要高达 250 万个大气压,更高的压力才能实现更高的超导临界温度,区别就是他们在原先氢、硫元素基础上,又加了碳元素进去,至于形成了什么,现在还不知道。但这篇论文从投稿到接收刊登只用了 10 天时间,我觉得最主要的原因是其报告中的数据质量非常好。他们同时展示了对全新超导材料电的测量、磁的测量乃至光谱的测量分析,如此高压下测量这些数据是非常难的,全世界没几个团队能做到,而且他们刷新了一个新纪录。”罗会仟表示。

上世纪 80 年代发现的铜氧化物超导体为实现室温超导带来了希望,但经过 30 多年的研究,其在常压下 134K,高压下 164K 的临界温度很难进一步提高,而且非常规超导机理至今仍不甚明晰。另一方面,根据 BCS 理论,人们预期如果在高压下能获得金属氢或高度富氢材料可能会实现高温甚至室温超导,成为了研究热门。

其实最近,中国科学院物理研究所 / 北京凝聚态物理国家研究中心也有新的相关进展,他们克服了高压技术难点,通过在 70 微米的钻石对顶砧台面上采用氨硼烷作为氢源,利用激光加热使其分解产生氢气并与放置在金刚石对顶砧压腔内的镧(La)金属薄片反应,在 165GPa 压力下,得到了临界温度为 240-250K 的近室温超导材料。

这个实验不仅成功重复了之前德国和美国研究组发现的氢化镧高温超导体,而且还发展了利用金刚石对顶砧开展百万大气压高压下的原位激光加热与标准四电极电阻测试技术,该研究于 2020 年 10 月 10 日在中国科学院物理研究所官网进行了披露。

“这个研究方向的竞争是很激烈的。”罗会仟介绍,这类金属氢或高度富氢材料超导研究的挑战非常多,要克服的第一关就是元素的结合,比如实验中提到的碳、氢、硫,氢在常温常压下是气体,要冷却到很低的温度变成液体,这种状态还要装进样品里面去,而且金刚石顶砧平台尺寸是微米量级的,操作精确度和难度可想而知,且稍有不慎氢元素容易造成爆炸,损毁实验设备。

其次,是合成样品的过程,这些元素并不是单纯的用高压压一下就出来了,这个过程又不能直接用火焰什么的加热,需要用激光透过金刚石折射对样本进行加热,在高压下同步掌控温度变化进行合成观察。

第三,合成之后其实还不知道有没有成功出现超导材料,需要在如此苛刻的条件下进行全面的检测实验,以测出数据证明这个材料是合成了,且具备超导体特性。

“尽管失败率非常高,在这项实验中,他们最终确实合成了一种不同于以往的新超导材料。这类实验,包括中国在内,全世界大概只有三、五家实验室能够做到。在这条室温超导材料里面继续探索,未来有望把压力逐步降低,最终总有一天,我们有希望在这一类材料里面,利用这个材料本身内部的化学压力,或者这个材料本身的结构特殊性,就能够达到室温下稳定的超导材料,不再需要这么高的压力条件,那个时候超导研究的历史性突破就真的实现了。”

罗会仟认为,从实际意义上考虑,我们对于超导材料的研究,并不只局限于提高超导的临界温度,这只是一个指标,例如这项实验中如此高的特定压力条件,在现实中几乎是无法使用的。其实过去数十年的研究重点,科学家们最希望找到的是实用化的超导体。

最理想的结果,这个材料在常温常压下能用,或者在一定低温下也无所谓,关键是得好用,例如在液氮环境下工作,是可以接受的。而之所以超导材料目前的应用依然十分有限,一个原因是我们光提高这个多少 K 的超导临界温度是不够的,涉及到产业使用还有很多实际问题,比如要做成电缆线,需要各种弯曲拉伸,或者做成线圈,金属材料可以随便用,但高温超导材料可能折一下就碎了。为了克服这些困难,把超导材料变得好用,以及能够跟金属材料复合,物理学家做了很多的事情来提升它的物理特性。

“在超导应用中最贵的部分并不是超导材料本身,而是因为高温超导材料本身机械性能、力学特性等不太好的地方,我们需要花很大的精力和投入进行弥补,其附属的材料与合成工艺可能比超导材料本身还要贵,超导仅有一个指标高是远远不够的,这是一项系统性的复杂工程。”罗会仟解释道。

如果更先进的室温超导材料得以实现,其对各行业的颠覆性十分值得期待,罗会仟简要介绍了几个相关的重要领域。

比如,医院的核磁共振成像设备,在强磁场下可以实现对大脑中单个神经元级别的超高分辨率;实现无能量损耗的超导输电和储能系统;发展能量更高的高能粒子加速器;在移动通讯领域用性能更好的滤波器;促进太赫兹侦测技术发展;研发新一代的超导量子计算机;人们出行能甚至可能乘坐达到 600 公里以上时速的超导磁悬浮列车 ······

自 1911 年,荷兰科学家海克 · 卡末林 · 昂内斯用液氦冷却汞发现超导电性,至今已跨越 109 年,科学家们为追逐 “室温超导” 梦一直孜孜不倦。以今天为起点,下一个百年或许将愈发激动人心。

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