科技圆桌派|超导“理想国”:寻找人类的“哈利路亚山”

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封面新闻 2023-04-02 22:12 106739

封面新闻记者 边雪 张峥

悬浮在云端的哈利路亚山上,爬满粗壮的绿色藤蔓,山体上壁挂飞天的瀑布间,飞禽载着潘多拉星人来回穿梭。

看过科幻电影《阿凡达》的人,不会忘记片中绝美的场景,在电影中的悬浮山,是因为潘多拉星球的山中蕴藏着一种叫做“Unobtanium”的神奇室温超导矿石,可以借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这种奇珍异宝,疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁那威人的家园。

在美国罗切斯特大学物理学家Ranga Dias宣称发现了室温条件下的超导新材料引发全球“共振”之余,让众多物理学家为之着迷的超导现象成为各界关注的焦点。“如果我们能够真正通过某种理论,找到那个温室超导体,那《阿凡达》电影将会成为现实,磁悬浮可以真正实用化,电能输送可以无能耗,好处会非常多。”近日,电子科技大学物理学院教授、凝聚态物理研究所所长乔梁告诉封面新闻记者,现实中是否能找到温室超导体,目前不知道。

近日,乔梁和团队在超导新材料研究领域取得突破,为镍基超导领域的发展提供了新思路,并提供了一个更为准确和合理的物理模型。其研究成果在线发表于《自然》。被乔梁称为是一只“看不见的手”——氢元素,正悄悄改变了制备出的材料的物理性能,是影响镍基超导电性关键而又隐秘的元素。

为何超导材料有如此强大的力量?为何物理学家穷尽一生都在寻找这个超导“理想国”建成的“哈利路亚山”?乔梁表示,作为科学研究,只要是有意思的课题,只要是没有解决的问题,那总是有人喜欢去做。

“氢元素的加入如一只无形的手,填满了间隙轨道”

封面新闻:在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中,您和团队利用氢化钙进行了还原,并发现如果温度不变,逐步增加还原时间,结果就会发生“弱绝缘→超导→弱绝缘”的变化。您在此前的实验中没有出现过这种情况吗?

生长制备和无限层镍酸盐的氢检测。

乔梁:这种类似变化,我们实验中的确发现过多次。超导样品的制备有两个过程,第一个是薄膜的外延生长,第二个是对外延生长的薄膜再进行后期的拓扑化学还原。目前学术界内对第一个过程关注得较多,而我们研究的过程则重在后者,就是还原的过程。

在还原过程中,我们首先想到要优化还原条件。所谓优化条件,就是要对还原过程里的参数来逐一进行优化,我们在逐渐变参数的时候发现,对于时间这个变量是有规律的:从“短”到“长”的这个连续变化过程中,会出现“弱绝缘→超导→弱绝缘”的变化。

封面新闻:为什么会随时间产生这样的变化?

乔梁:我们当时也不理解这个变化的起源。这个结果第一次被发现是在2021年7月,后来因为不能解释,所以实验结果就一直放在那儿。

直到2021年11月,在意识到氢的存在之后,我们又重新思考这个结果,并系统测试样品中氢的含量,发现随着还原时间的增加,氢是逐渐扩散的,会积累越来越多。至此,原因和结果就完全对应起来了,可以解释之前我们七月实验数据的变化。

根据铜基材料研究的经验,对超导起着决定性作用的是费米面附近金属元素的3d轨道。在镍基超导体中,其费米面附近的电子结构中,O2p、IIS、Ni3d、Nd5d等轨道之间存在较强的相互作用。因此,IIS轨道的强烈吸引导致费米面附近Ni3d轨道的有效占据减少,丧失了超导能力。

Nd0.8Sr0.2NiO2Hx输运性质和氢H掺杂相图。

而氢元素的加入,则会填充轨道空隙。它就如一只无形的手,导致IIS轨道没法“拖拽”Ni3d轨道,产生了类似于铜基超导的费米面电子结构,进而促进超导态的出现。

但如果氢元素超过一定数量,反而会进一步降低Ni3d轨道极化情况,也不利于实现超导。

封面新闻:您在采访中曾表示“此次研究改变了科学家对镍基超导材料的基本认知,并提供了一个更为准确和合理的物理模型。”可以请您进一步地解释一下吗?

乔梁:这次研究改变了我们对镍基超导材料的基本认知,提供了一个更为准确的模型。

主要原因是之前人们没有普遍意识到氢的存在。在此之前的研究人员、科学家去理解这个镍基超导的电子结构,或者它的基本的特征的时候,基于的物理模型就不考虑氢的存在,并且在这种情况下做了很多理论或是推理方面的研究。但实际上,它会忽略氢的这个很重要的作用,也可能因为忽略氢的作用导致实际观察的物体与预期不一致。

镍基超导中氢元素作用示意图。

我们的实验表明,材料里的氢不能被忽略,一旦忽略了,结果就不对了。所以我们的这个实验结果,就是对之前镍基超导材料的基本观点进行了修正:要想准确理解这个材料的基本的物性,那么在模型层面,必须考虑氢元素。只有考虑到氢的存在,在研究其他物性的时候,才能把氢的作用加上去,才能准确理解材料特性。

Critical role of hydrogen for superconductivity in nickelates. 在镍酸盐超导电性中,氢的关键作用。

“温室超导十分美好,但确实很难实现”

封面新闻:目前超导的应用有哪些呢?

乔梁:目前来说,超导大概有两类材料的应用。第一方面是用高温超导材料。比如用铜基高温超导,因为铜基的临界温度是最高的,大概可以到130K(零下170摄氏度左右)。基于这种多铜基高温超导电的现象,人们可以用来做超导输电。

2021年底,在上海有全球首条超公里级高温超导电缆商业化示范段投运,大概一公里长,建设1条35千伏超导电缆线路,替代原有4回共计12根35千伏常规电缆,就是用铜基高温超导做的。

但这种成本也比较高,因为要维持超导环境,要液氮不停灌注到整个系统里面。此外,从输电层面来讲,铜基高温超导材料的脆性很严重,如何解决导线脆性的问题,现在虽然有些办法,但是还不是很完美。

第二个方面就是常规BCS超导材料的应用。常规超导目前主流的是铌钛合金,这个合金的Tc大概是20K,需要沸点是4K的液氦来冷却。一旦冷却之后,这种铌钛合金超导体的性能非常稳定,可以用来制备超导磁铁,产生很强的磁场。

常见的导线,其材料一般是铜、铝或银,基于这些材料制备的电磁线圈由于电路的电阻产生的焦耳热无法有效地排除,很难承受超大电流,没法实现超过2T的强磁场。而用铌钛超导合金做成超导磁体,由于可以实现零电阻,没有电路的发热,可以允许电流高达150安的超大电流,从而实现14T以上的超强磁环境,满足科研和极端应用的需求。

所以超导线圈最大的优势,是它可以允许大电流并实现很强的磁场,比如在医学领域常见的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,简称MRI),就是利用商业化的铌钛合金超导材料,它们可以产生12T的磁场利用强场下氢原子核自旋的共振,探测目标对象的位置和种类,进而绘制其精确的立体图像。而且磁场越高,成像的空间分辨率越高。利用这种强磁场成像技术,可以对人体、大脑、神经元等复杂组织器官进行医学成像,来帮助人们找到疾病的源泉,进而精确治疗疾病。

但正是因为实现低温环境的媒介—液氦非常非常贵,比常见的液氮贵得多,所以NMR设备很贵,患者做一次核磁共振的价格也非常高,动辄上千元。假如能找到温室常压超导体,那么就可以省去很贵的液氦冷却的费用,NMR会变得价格很“亲民”。但现阶段,这还是“美好的想象”。

封面新闻:超导的应用场景非常广阔,只可惜这些美好的设想,都是建立在高温超导甚至是常温超导之上,您如何看待超导在未来的应用?

乔梁:我们比较美好的设想,都是基于温室常压超导,但目前看来我们距离找到这种材料有很遥远的距离。

从1912年超导现象发现,到现在有100多年了,高温超导是1986年(发现),现在已经快40年了,距离温室超导还是非常非常大。尽管最近十年,高压超导领域持续有新发现,的确有些材料可以在“近室温”下实现超导,但需要的压力非常高,要几百个Gpa,相当于地球核心的压力值,因此,非常不现实。所以我们期望的温室常压超导体,

超导应用,可以从两个层面来理解。

第一,假如能够发现温室常压超导体,则一切问题和困难可以完美地解决。但其难度极大,目前我们还没有发现这类材料,而且不知道要去哪里找这类材料。

第二,当前,我们要想利用超导,就要用现有的材料。而现有的超导材料面临的一个主要问题,就是它的Tc(临界温度)比较低,我们就需要低温环境来实现超导。但要维持低温环境,那是要消耗很多能量。因此,目前的超导技术,很大程度上受限于发现更好的超导材料,即Tc更高的、易于加工的超导材料。

“如果我们能够真正通过某种理论,找到那个室温常压超导体,那我们将实现如《阿凡达》电影般的悬浮场景”

封面新闻:目前,全球超导第一大技术来源国为中国,中国超导专利申请量只占全球超导专利总申请量的82.83%,您认为我国超导专利位列头部的原因是什么?

乔梁:我对这个数字没有考究过,不过我们中国的超导研究和超导技术在国际上是处于前列的在1986年铜基超导出现的时候,华人科学家就敏锐地捕捉到了这个机会,以物理所赵忠贤院士为代表的科研工作者夜以继日地开展研究,做出了举世瞩目的成绩,并以高温超导研究为契机开辟了我国凝聚态物理发展的黄金时期,实现了学术研究和人才培养水平极大的提升。伴随着2009年铁基超导的出现,我国的科研工作者又迅速抓住这个时机。来自中科大、物理所、清华大学、南京大学、复旦大学等单位的学者相继作出了铁基超导领域原创性的重大学术贡献。

因此,在把握住这两个关键时期后,中国目前关于超导物理和超导材料的研究处于世界前列。

封面新闻:如果没有常温常压超导,那么维持超导材料的低温或高压工作环境成本非常高,为什么一百多年来,科学家仍然对超导研究十分热衷?您认为超导研究的物理和现实意义分别有哪些?

乔梁:这个问题问得非常好,假如室温常压超导是一个缥缈无边的现象,即使我们追求这么久也难以实现,那为什么人们还要继续?我个人感觉,这反映了一种“追求”的精神——虽然目前达不到这个目标,但总是想无限接近。所以它包含着人类追求的梦想,即不管能不能实现,都要去追寻。其次,这个追寻,也反映了我们探索知识盲区的渴望。我们目前还不能完全理解高温超导的物理起源,不晓得为什么。但我们渴望能够晓得这个问题的答案。

首次从微观上揭示常规超导电性秘密的第一个完美理论,是1957年由J.Bardeen, L.N.Cooper & J.R.Schrieffer三人提出的“BCS理论”,其核心思想是电子-声子耦合和电子配对。但是,自从上世纪80年代铜基高温超导被发现之后,这个理论就不适用了。BCS理论不能解释非常规的高温超导现象。

铜基超导的研究前后已经快40年了,在Nature、Science顶级期刊上发过百余篇论文,相关发现也获得过诺奖。但目前我们对铜基超导的理解还是不完善,没有一个公认的理论可以完全地解释这个现象。设想有朝一日我们能够破译铜基高温超导的密码,说不定可以根据这个理论,找到提升Tc的办法,进而实现室温超导?正是这个激动人心的想法,驱动着一代又一代的科学家加入超导研究的大军之中。

而且,从产业角度来看,超导技术的益处涉及多方面,我们前面也做了简单的讨论。这次“所谓的”温室超导体被报道之后,不管是科研界、教育界,还是产业界、金融界等多行业都引起了较高的反响。这说明,超导现象具有独特的魅力,已经超越了科学研究的范围,呈现较高的社会关注度和科普性,这可能是其他科学研究无法实现的。这也从另一个侧面表明了超导研究的重要性。

如果我们能够通过某种理论,找到那个室温常压超导体,那《阿凡达》电影中完全悬浮的山、森林等场景将会实现,那就是磁悬浮的力量,到那时我们输电工程也没有电能损耗,我们的能源结构和人类生活也将进入新的时代。

这些场景究竟能不能实现?目前不知道。但作为科学研究,只要是有意思的课题,只要是没有解决的问题,那就总有科学家要去探索,不管有多难!

评论 5

  • 嘉州援彝胡敏洪 2023-07-31 发表于四川

    超导新材料引发全球共振!

  • 风风火火恍恍惚惚 2023-04-03 发表于四川

    希望尽快走进现实

  • 美美岛 2023-04-03 发表于四川

    今后实现了超导理想再来读这篇文章会是多么有意思和惊喜的事情!

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