我們離室溫超導體還有多遠？

我們離室溫超導體還有多遠？
2021年07月13日10:04
　　新浪科技訊 北京時間7月13日消息，電阻是現代社會最大的物理學問題之一。電流只要在電線中流動，便難免會損失一部分能量，以熱量的形式散失。電流由移動的電荷構成，我們可以借電線對電流進行操控。但即使是性能最強大、效率最高的導體，如銅、銀、金、鋁等金屬，也會不可避免地產生電阻。無論這些導體截面有多寬、屏蔽多麼徹底、氧化程度多麼低，都無法100%地傳輸電能。
　　除非我們能設法將電線從普通導體轉化為超導體，否則電阻永遠無法避免。對普通導體而言，隨著溫度降低，電阻會逐漸減少。但超導體則不然：一旦溫度低於某個閾值，電阻便會猛跌至零。由於沒有電阻，超導體在傳輸電能時不會造成任何能量損失，因而成為了能效領域的“聖盃”。在近年來的研究中，科學家已經發現了迄今為止溫度最高的超導體。但在短時間內，我們的電子設備還無法完成向超導體的轉型。在本文中，我們將向你介紹超導體領域的一些前沿信息。
　　超導體有著一段悠久且精彩的歷史。早在19世紀，人們便意識到，即使最優良的導體也會產生電阻。縱然可以通過增大電線橫截面、降低材料溫度、或縮短電線長度等方法降低電阻，但無論怎樣做，普通導體都無法擁有無限導電性，原因也很令人驚訝：電流可以產生磁場，而電阻一旦發生變化，電流便會隨之而變，致使導體內部的磁場也發生改變。
　　然而，完美導電性要求導體內部的磁場保持恒定不變。如果你設法減少了電線的電阻，電流就會增強，磁場便會發生變化，意味著你永遠無法實現完美導電性。但特定材料會產生一種名叫“邁斯納效應”的量子效應。發生該效應時，導體內的所有磁場都會被排斥在外，因此對導體內部的電流而言，導體的磁場便變成了零，導體也就成為了零電阻的超導體。
　　超導性最早是在1911年、液氦剛開始被大規模用作製冷劑時發現的。有一天，科學家海克•昂內斯想利用液氦將水銀冷卻至固體狀態，在此過程中研究水銀的電阻性質。如預期中一樣，隨著溫度下降，水銀的電阻也開始逐漸降低。但溫度降至4.2K（開爾文，熱力學溫度單位）後，電阻突然完全消失了。不僅如此，一旦溫度降到這一閾值以下，固態水銀內部的磁場也不複存在。在此之後，又有其它幾種材料也表現出了這種超導特性，各自有著不同的閾值：鉛為7K，铌為10K，一氮化铌為16K。後續又發現了多種具有該特性的化合物。在此過程中，相關理論也取得了長足的進步，幫助科學家對引發該現象的量子機製有了更進一步的瞭解。然而，在上世紀80年代開展了一系列實驗之後，科學家又發現了一種奇特的現象：由迥然相異的分子構成的物質不僅可以表現出超導特性，並且達到超導狀態的閾值溫度遠高於此前所知的任何超導體。
　　這一系列實驗是從一類簡單的物質開始的：銅的氧化物。上世紀80年代中葉，利用氧化銅與鑭、鋇兩種元素結合開展的實驗成功打破了超導閾值的溫度記錄，在此前的記錄基礎上又升高了好幾度。但這一紀錄很快又被鍶元素打破了。沒過多久，一種名叫釔鋇銅氧的新材料竟然又打破了前者的記錄。這可不是一次簡單的技術進步，而是一項重大飛躍：此前的超導體材料溫度閾值均低於40K，必須借助液氫或液氦才能冷卻至這一低溫。但釔鋇銅氧成為了首個閾值超過77K的超導材料（其閾值為92K），可以使用價格便宜得多的液氮進行冷卻。
　　這一發現使得超導體研究發生了爆炸式增長。此後，科學家發現了各式各樣的超導材料，不斷打破溫度和壓力閾值的記錄。然而數十年來，超導溫度的上限卻始終無法突破200K（作為參考，室溫略低於300K）。
　　儘管如此，超導材料依然幫我們實現了一系列技術突破。例如，地球上的超強磁場都是利用超導電磁鐵生成的，應用場景包括粒子加速器（包括歐核中心的大型強子對撞機）、醫療成像診斷設備（強磁鐵在核磁共振儀中扮演著關鍵作用）等等。超導不僅是一種神奇的科學現象，更對我們的科學研究起到了極大助益。
　　雖然我們對超導的一些應用場景已經耳熟能詳，比如磁懸浮列車，但這些其實並非社會層面追求的目標。真正的目標是為地球打造一套全面的電氣化基礎設施系統，從輸電線到電子設備，都可以徹底實現零電阻。雖然我們可以借冷凍系統實現超導，但只有室溫超導體才能真正實現高能效，並在磁懸浮列車和量子計算機等應用領域引發一場基礎設施革命。
　　2015年，科學家做了一項實驗：對硫化氫分子（化學式為H2S，和水分子H2O很相似）加以155吉帕斯卡的極端高壓，相當於地球海平面氣壓的150萬倍，等於在你身體表面每平方英吋上施加超過1萬噸的力。結果其超導閾值首次突破了200K大關，只不過條件實在過於極端了。
　　這條研究路線看上去很有前景，許多一度對室溫超導材料抱質疑態度的物理學家對該領域重新產生了興趣。在2020年10月14日的《自然》期刊上，羅切斯特大學物理學家蘭加•迪亞斯和同事們將硫化氫、氫氣、以及甲烷在267吉帕的極端壓力下混合在一起，創造出的材料再次打破了超導體的溫度記錄。
　　在此次研究中，超導體的溫度上限首次被提高到了288K，相當於15攝氏度。只要一台普通的冰箱或熱泵，便可使之變成超導體。
　　去年這項發現無疑是一項重大突破，並且近年來，在極端條件下的半導體閾值溫度一直在穩步升高。2015年的高壓硫氫實驗攻克了200K大關，2018年的鑭氫實驗則突破了250K大關。能夠在室溫下實現超導的化合物雖不至於令人大吃一驚，但的確意義非凡。
　　然而，超導體的實際應用依然離我們十分遙遠。在普通溫度和極端高壓下實現超導，其實和在普通氣壓和極端溫度下實現超導沒什麼區別，同樣是大規模應用超導體的阻礙。此外，這些材料必須一直保存在高壓環境下；一旦壓力下降，其溫度閾值也會下降。因此下一步，我們還需要研製一種可以在室溫和普通壓力下應用的超導體。
　　問題在於，我們可能會陷入一種兩相為難的局面。當壓力變化時，在標準壓力下的高溫超導體的表現並不會有明顯變化，但在高壓下的高溫超導體則會隨著壓力的降低失去超導性。此外，前面提到的加壓化合物只有在極端的實驗室條件下才能製造出極少量，顯然不適合用來製造電線。
　　不過，有了理論基礎、再加上電腦計算，我們仍有可能找到正確的研究方向。每一種物質組合都會形成獨特的物質結構，而相關理論和計算機可以幫助我們判斷哪些結構在高溫和低壓下實現超導特性的可能性較大。例如，2018年攻克250K大關的那次研究便是以這類計算為基礎的。科學家通過計算，將方向瞄準了鑭氫化合物，再通過實驗加以驗證。
　　目前，這類計算已經幫助我們發現了一種符合要求的物質：釔氫化合物，可以在接近室溫的溫度下（零下11攝氏度）實現超導，所需壓力也大大降低。目前最優秀的高溫超導體是金屬氫，但該物質只有在超高壓環境下才存在，比如木星大氣層底部。不過，只要向其中加入其它元素，便既可保留高溫超導特性，又能大大降低壓力要求。
　　從理論上來說，所有單元素與氫的結合物都值得展開探索。目前科學家較為關注兩種元素與氫的組合，如此前由迪亞斯發現的碳-硫-氫化合物，以及鑭-硼-氫化合物，都在實驗中表現出了不錯的前景。但類似的組合可能多達成千上萬種，必須借助計算機，才能更好地確定下一個嚐試對象。
　　如今，如何降低壓力也成為了高溫超導體的最大問題之一。只有在普通的溫度和壓力條件下、材料始終能夠維持超導特性，才算是取得了該領域的終極“聖盃”。從計算機到磁懸浮列車、再到醫療成像設備，雖然這些技術都會隨著超導體的發展不斷進步，但最大的好處是，我們可以從電網中節省大量能量。據美國能源部指出，僅僅在美國，高溫超導體每年便可節省數千萬億美元的配電成本。
　　由於我們的能源有限，任何杜絕能效浪費的做法都能惠及四方，包括能源提供者、配電機構、以及各級消費者。超導體還可以杜絕過熱等問題，大大降低電氣火災的風險。此外還能延長電子設備的使用壽命，同時減少對設備散熱措施的需求。就像在20世紀、超導性突然一躍成為科學研究的主流一樣，如果上天保佑，也許在21世紀，該技術也會成為消費者市場的主流。如今，我們已經在這條路上大步前進了。（葉子）
關鍵字

Related Keywords

Beijing ,China ,Taiwan ,Kyrgyzstan ,United States , ,Science Research ,Sina Technology News ,Rochester University ,Researchb Science ,Research It ,Researchb Ultra ,B Research ,Sina Technology News Beijing ,Kyrgyzstan Pascal ,Yet Ultra ,Stepi They ,Reserved High Temperature ,United States High Temperature ,பெய்ஜிங் ,சீனா ,டைவாந் ,கிர்கிஸ்தான் ,ஒன்றுபட்டது மாநிலங்களில் ,அறிவியல் ஆராய்ச்சி ,சினா தொழில்நுட்பம் செய்தி ,ரோசெஸ்டர் பல்கலைக்கழகம் ,ஆராய்ச்சி அது ,