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中国铁基超导世界领先 或将翻天覆地改变世界

2014-01-23 11:43:07 来源: 中国科学网  文字大小:   [举报] 已有评论(0)

 

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(左)金属汞的电阻在4.2 K突然降为零; (右)超导体的完全抗磁性


 

 


 

  铁基超导——凝聚态物理天空中闪耀的新星


 


   在2014年1月10日国家科学技术奖励大会上,多年空缺的国家自然科学一等奖被铁基超导研究团队获得。随着新闻报道的铺开,“铁基高温超导”一词再次被人们所关注。自2008年凝聚态物理学领域掀起铁基高温超导研究热潮以来,铁基超导的科学研究已经步入第六个年头,发表的有关铁基超导研究论文已经数万篇。截止到2013年2月,全世界在铁基超导研究领域被引用数排名前20的论文中,9篇来自中国。铁基超导至今仍然是凝聚态物理基础研究的前沿科学之一,吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。为什么铁基超导如此特别?它的发现对基础物理研究有着什么样的重要影响?中国人在铁基超导洪流中起到了什么样的角色?


 


   这还得从神秘又奇特的超导体说起。1911年4月8日,荷兰莱顿实验室的昂尼斯等人利用他们刚刚液化的最后一种气体——液氦研究金属在低温下的电阻,当他们把金属汞降温到4.2
 K(热力学温标中0 K对应着零下273.2摄氏度,4.2
 K即相当于零下269摄氏度)时,发现其电阻值突然降到仪器测量范围的最小值之外,即可认为电阻降为零。昂尼斯把这种物理现象叫做超导,寓意超级导电,他本人因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。继第一个超导体金属汞被发现之后,人们又陆续发现了许多单质金属及其合金在低温下都是超导体。1933年,德国物理学家迈斯纳指出,超导体区别于理想金属导体,除了零电阻外,它还具有另一种独立的神奇特性——完全抗磁性。超导体一旦进入超导态,就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样,外界磁场根本进不去,材料内部磁感应强度为零。同时具有零电阻和抗磁性是判断超导体的双重标准,单凭这两大高超本领,超导就具有一系列强电应用前景。利用零电阻的超导材料替代有电阻的常规金属材料,可以节约输电过程中造成的大量热损耗;可以组建超导发电机、变压器、储能环;可以在较小空间内实现强磁场,从而获得高分辨的核磁共振成像、进行极端条件下的物性研究、发展安全高速的磁悬浮列车等等。可是,如此神通广大的超导体,在人们日常生活中却远远不如半导体那么声名远播呢?这是因为半导体在室温下就能用,但超导体往往需要非常低的温度环境(低于其超导临界温度),这种低温环境一般依赖于昂贵的液氦来维持,这极大地增加了超导应用的成本。解决这一问题关键在于寻找更高临界温度的超导体,特别是室温超导体——这是所有超导研究人员的终极梦想。


 


   在探索新超导体征途中,物理学家同时担任着另一项重要科学任务——从微观层面解释为什么电子能够在固体材料中“畅行无阻”。包括爱因斯坦、玻尔和费曼等在内的世界上许多顶级聪明的物理学家都曾试图完成这个任务,绝大部分都是失败的尝试,在等待了漫长的46年之后的1957年,常规金属超导微观理论在美国三名物理学家手上被成功建立,这个理论以他们的名字(巴丁、库伯、施里弗)命名为BCS理论。BCS理论认为,常规金属合金中的自由电子除了人们熟知的库仑排斥作用外,还存在一种较弱的吸引相互作用。因为固体材料中的原子总是在平衡位置附近不停地热振动,原子核和其内部电子构成带正电的原子实会对“路过”带负电的电子存在吸引相互作用,如果两个电子运动方向相反(动量相反),那么它们各自与周围原子实的相互作用就可以等效为它们之间存在一种弱的吸引相互作用,就像冰面上两个舞者互相抛接球一样,这种作用力导致材料中电子两两配对。配对后的电子对又叫库伯对,如果所有库伯对在运动过程中保持步调一致,那么配对电子即便受到运动阻碍也会两两相消,使得整个配对的自由电子群体都可以保证能量损失为零,从而实现零电阻状态。尽管BCS理论如此美妙地用“电子配对、干活不累”的创意解决了常规金属合金超导机理问题,但其创新大胆的思想却迟迟难以被人们所接受,直到被实验所证实才于1972年被颁发诺贝尔物理学奖。有了理论指引,更高临界温度的超导体似乎已经可以“按图索骥”,然而,兴奋的实验物理学家只在三铌化锗合金中找到了23.2
 K的超导,历时60余年的超导探索之路,如同乌龟踱步一样,路漫漫其修远。何处是曙光?理论物理学家再次无情地泼了一大瓢冷水——在BCS理论框架下,所有的超导体临界温度存在一个40
 K的理论上限,称作麦克米兰极限。40 K,离300 K附近的室温有多远,会加减法的人都知道。但,这会是一个无法逾越的障碍吗?


 

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