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“高温超导”开辟超导新天地,始终于禁忌处见惊喜

时间:2017-04-17 10:49:49  来源:人民网 放大 缩小 默认

  在大众眼中,“高温超导”似乎始终蒙着一层神秘的面纱,人们虽然知道它,但是却不了解它。今年的国家科学技术奖励大会上,一生致力于超导研究的赵忠贤院士荣获国家最高科学技术奖。那么高温超导究竟有何魅力,可以使无数科学家孜孜不倦地对其进行探索?

  中国科学院院士赵忠贤作题为《从超导研究看创新》的学术报告。

  超导即导体电阻为零的“超级导电”现象

  一般金属导体的电阻会随温度下降而减小,那么,若把温度不断降低,电阻会发生怎样的变化?100多年前,荷兰的昂尼斯给出了答案,部分金属的电阻会在低温状态下突然消失变为零,形成“超级导电”的现象,我们称这种现象为超导。

  后来经科学家研究发现,不仅电阻可以为零,超导体的内部磁感应强度也为零,即产生超导体完全抗磁的现象。这种神奇的电磁现象意味着超导体在所有电和磁的应用领域都有用武之地,超导体也因此成为“材料之星”。

  “麦克米兰极限”和超导材料的特性成为了超导不可突破的“禁忌”

  超导的实现需要极低的温度,即超导临界温度。比如金属汞需要在4.2 K(相当于-269℃)以下才能实现超导,如此低温的环境需要靠昂贵的液态氦等来实现。所以,寻找超导临界温度更高的超导材料,是科学家们一直以来努力的方向。

  1957年,物理学家麦克米兰建立了常规超导理论。理论中提到,超导临界温度无法突破40K的上限,此理论又被称为麦克米兰极限。此外,科学家们还总结出了高临界温度超导材料应具备的特征,包括高对称性、高电子浓度、不含氧、无磁性、非绝缘体等特征。经过60余年的不断努力,科学家们目前为止寻找到的最高临界温度的材料是铌锗合金(23 K)。

  高温超导材料突破“禁忌”,开辟超导新天地

  然而麦克米兰极限理论以及高临界温度超导材料的特性并没有成为科学家们探索新超导材料的桎梏,他们不断在氧化物、金属化合物、乃至有机物中实现了超导。1986年,瑞士科学家反其道而行之,在通常导电不好甚至绝缘的铜氧化物陶瓷材料中实现了温度为30K的超导电性。紧接着,中国的赵忠贤、美国的朱经武等科学家在另一铜氧化物材料中实现了温度在90K以上的超导,这类超导材料也被称之为高温超导材料。这一重大发现彻底打破了麦克米兰极限,突破了之前有关超导材料探索的“禁忌”。

  高温超导材料的临界温度突破了液氮沸点(77K),意味着超导可以用廉价的液氮来替代液氦,这么看来,超导就能够得到更大规模的应用。然而事与愿违,铜氧化物的机械性能很差,承载的电流密度有限,而且在磁场下其行为复杂,超导状态也不稳定。所以之后的30余年,铜氧化物的应用一直处于技术瓶颈阶段。更令人发愁的是,铜氧化物超导体的机制非常复杂,许多传统的物理理论都不再适用于它,寻找新一类40K以上的高温超导材料就成了迫在眉睫的任务。

  2008年,惊喜再一次出现,日本的西野秀雄等人在铁砷化物中实现了温度为26K的超导电性。以赵忠贤为代表的一批中国科学家在第一时间验证了该结果,并且迅速通过稀土替换和高温高压合成的方法,把临界温度提升到了55K,第二个高温超导家族“铁基超导体”就此诞生。“铁基超导体”的发现同样是突破性的进展——人们以往认为含铁的材料具有磁性,会使超导难以实现,但是铁基材料不仅含铁,还含镍和钴等磁性元素,因此超导和磁性完全可以在新机制下“和平共处”。

  如今,两大高温超导家族的研究可以互相对照,为高温超导机理和新超导材料的探索带来前所未有的新机遇。高温超导研究的突破,必将对科学研究乃至人类社会产生深远的影响。

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