我们离室温超导体还有多远

新浪科技2021-07-13 11:40:18
我们离室温超导体还有多远

  新浪科技讯 北京时间7月13日消息,电阻是现代社会最大的物理学问题之一。电流只要在电线中流动,便难免会损失一部分能量,以热量的形式散失。电流由移动的电荷构成,我们可以借电线对电流进行操控。但即使是性能最强大、效率最高的导体,如铜、银、金、铝等金属,也会不可避免地产生电阻。无论这些导体截面有多宽、屏蔽多么彻底、氧化程度多么低,都无法100%地传输电能。

  除非我们能设法将电线从普通导体转化为超导体,否则电阻永远无法避免。对普通导体而言,随着温度降低,电阻会逐渐减少。但超导体则不然:一旦温度低于某个阈值,电阻便会猛跌至零。由于没有电阻,超导体在传输电能时不会造成任何能量损失,因而成为了能效领域的“圣杯”。在近年来的研究中,科学家已经发现了迄今为止温度最高的超导体。但在短时间内,我们的电子设备还无法完成向超导体的转型。在本文中,我们将向你介绍超导体领域的一些前沿信息。

  超导体有着一段悠久且精彩的历史。早在19世纪,人们便意识到,即使最优良的导体也会产生电阻。纵然可以通过增大电线横截面、降低材料温度、或缩短电线长度等方法降低电阻,但无论怎样做,普通导体都无法拥有无限导电性,原因也很令人惊讶:电流可以产生磁场,而电阻一旦发生变化,电流便会随之而变,致使导体内部的磁场也发生改变。

  然而,完美导电性要求导体内部的磁场保持恒定不变。如果你设法减少了电线的电阻,电流就会增强,磁场便会发生变化,意味着你永远无法实现完美导电性。但特定材料会产生一种名叫“迈斯纳效应”的量子效应。发生该效应时,导体内的所有磁场都会被排斥在外,因此对导体内部的电流而言,导体的磁场便变成了零,导体也就成为了零电阻的超导体。

  超导性最早是在1911年、液氦刚开始被大规模用作制冷剂时发现的。有一天,科学家海克•昂内斯想利用液氦将水银冷却至固体状态,在此过程中研究水银的电阻性质。如预期中一样,随着温度下降,水银的电阻也开始逐渐降低。但温度降至4.2K(开尔文,热力学温度单位)后,电阻突然完全消失了。不仅如此,一旦温度降到这一阈值以下,固态水银内部的磁场也不复存在。在此之后,又有其它几种材料也表现出了这种超导特性,各自有着不同的阈值:铅为7K,铌为10K,一氮化铌为16K。后续又发现了多种具有该特性的化合物。在此过程中,相关理论也取得了长足的进步,帮助科学家对引发该现象的量子机制有了更进一步的了解。然而,在上世纪80年代开展了一系列实验之后,科学家又发现了一种奇特的现象:由迥然相异的分子构成的物质不仅可以表现出超导特性,并且达到超导状态的阈值温度远高于此前所知的任何超导体。

  这一系列实验是从一类简单的物质开始的:铜的氧化物。上世纪80年代中叶,利用氧化铜与镧、钡两种元素结合开展的实验成功打破了超导阈值的温度记录,在此前的记录基础上又升高了好几度。但这一纪录很快又被锶元素打破了。没过多久,一种名叫钇钡铜氧的新材料竟然又打破了前者的记录。这可不是一次简单的技术进步,而是一项重大飞跃:此前的超导体材料温度阈值均低于40K,必须借助液氢或液氦才能冷却至这一低温。但钇钡铜氧成为了首个阈值超过77K的超导材料(其阈值为92K),可以使用价格便宜得多的液氮进行冷却。

  这一发现使得超导体研究发生了爆炸式增长。此后,科学家发现了各式各样的超导材料,不断打破温度和压力阈值的记录。然而数十年来,超导温度的上限却始终无法突破200K(作为参考,室温略低于300K)。

  尽管如此,超导材料依然帮我们实现了一系列技术突破。例如,地球上的超强磁场都是利用超导电磁铁生成的,应用场景包括粒子加速器(包括欧核中心的大型强子对撞机)、医疗成像诊断设备(强磁铁在核磁共振仪中扮演着关键作用)等等。超导不仅是一种神奇的科学现象,更对我们的科学研究起到了极大助益。

  虽然我们对超导的一些应用场景已经耳熟能详,比如磁悬浮列车,但这些其实并非社会层面追求的目标。真正的目标是为地球打造一套全面的电气化基础设施系统,从输电线到电子设备,都可以彻底实现零电阻。虽然我们可以借冷冻系统实现超导,但只有室温超导体才能真正实现高能效,并在磁悬浮列车和量子计算机等应用领域引发一场基础设施革命。

  2015年,科学家做了一项实验:对硫化氢分子(化学式为H2S,和水分子H2O很相似)加以155吉帕斯卡的极端高压,相当于地球海平面气压的150万倍,等于在你身体表面每平方英寸上施加超过1万吨的力。结果其超导阈值首次突破了200K大关,只不过条件实在过于极端了。

  这条研究路线看上去很有前景,许多一度对室温超导材料抱质疑态度的物理学家对该领域重新产生了兴趣。在2020年10月14日的《自然》期刊上,罗切斯特大学物理学家兰加•迪亚斯和同事们将硫化氢、氢气、以及甲烷在267吉帕的极端压力下混合在一起,创造出的材料再次打破了超导体的温度记录。

  在此次研究中,超导体的温度上限首次被提高到了288K,相当于15摄氏度。只要一台普通的冰箱或热泵,便可使之变成超导体。

  去年这项发现无疑是一项重大突破,并且近年来,在极端条件下的半导体阈值温度一直在稳步升高。2015年的高压硫氢实验攻克了200K大关,2018年的镧氢实验则突破了250K大关。能够在室温下实现超导的化合物虽不至于令人大吃一惊,但的确意义非凡。

  然而,超导体的实际应用依然离我们十分遥远。在普通温度和极端高压下实现超导,其实和在普通气压和极端温度下实现超导没什么区别,同样是大规模应用超导体的阻碍。此外,这些材料必须一直保存在高压环境下;一旦压力下降,其温度阈值也会下降。因此下一步,我们还需要研制一种可以在室温和普通压力下应用的超导体。

  问题在于,我们可能会陷入一种两相为难的局面。当压力变化时,在标准压力下的高温超导体的表现并不会有明显变化,但在高压下的高温超导体则会随着压力的降低失去超导性。此外,前面提到的加压化合物只有在极端的实验室条件下才能制造出极少量,显然不适合用来制造电线。

  不过,有了理论基础、再加上电脑计算,我们仍有可能找到正确的研究方向。每一种物质组合都会形成独特的物质结构,而相关理论和计算机可以帮助我们判断哪些结构在高温和低压下实现超导特性的可能性较大。例如,2018年攻克250K大关的那次研究便是以这类计算为基础的。科学家通过计算,将方向瞄准了镧氢化合物,再通过实验加以验证。

  目前,这类计算已经帮助我们发现了一种符合要求的物质:钇氢化合物,可以在接近室温的温度下(零下11摄氏度)实现超导,所需压力也大大降低。目前最优秀的高温超导体是金属氢,但该物质只有在超高压环境下才存在,比如木星大气层底部。不过,只要向其中加入其它元素,便既可保留高温超导特性,又能大大降低压力要求。

  从理论上来说,所有单元素与氢的结合物都值得展开探索。目前科学家较为关注两种元素与氢的组合,如此前由迪亚斯发现的碳-硫-氢化合物,以及镧-硼-氢化合物,都在实验中表现出了不错的前景。但类似的组合可能多达成千上万种,必须借助计算机,才能更好地确定下一个尝试对象。

  如今,如何降低压力也成为了高温超导体的最大问题之一。只有在普通的温度和压力条件下、材料始终能够维持超导特性,才算是取得了该领域的终极“圣杯”。从计算机到磁悬浮列车、再到医疗成像设备,虽然这些技术都会随着超导体的发展不断进步,但最大的好处是,我们可以从电网中节省大量能量。据美国能源部指出,仅仅在美国,高温超导体每年便可节省数千万亿美元的配电成本。

  由于我们的能源有限,任何杜绝能效浪费的做法都能惠及四方,包括能源提供者、配电机构、以及各级消费者。超导体还可以杜绝过热等问题,大大降低电气火灾的风险。此外还能延长电子设备的使用寿命,同时减少对设备散热措施的需求。就像在20世纪、超导性突然一跃成为科学研究的主流一样,如果上天保佑,也许在21世纪,该技术也会成为消费者市场的主流。如今,我们已经在这条路上大步前进了。(叶子)

原标题:我们离室温超导体还有多远

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