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108年拿了10个诺贝尔奖,超导研究能带来什么?

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出品公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:罗会仟,中国科学院物理研究所副研究员,封面:电影《阿凡达》


“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。”


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。


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。


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


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。


超导研究是物理学一个很小的分支领域,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。


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。


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。


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。


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。


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





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,但都失败了。可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?


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?



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年~200年,这是非常重要的。


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。


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?在日本的试验中,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,北京到上海只要半个小时,人可能不敢坐,但是以后可以用于发快递。


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。



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。


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,所以很难,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。


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。


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)


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。


这个数字相当于天花板,好像超导材料Tc永远都超不过40K。


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?


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。


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。


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。


“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”。


“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。


“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。


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。


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。


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。


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。


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。


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


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。


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。



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IBM Q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,这个时候或许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。


出品公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:罗会仟,中国科学院物理研究所副研究员,封面:电影《阿凡达》

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