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中国铁基超导已世界领先:或将彻底颠覆世界

2014-01-23 12:40:21 来源: 互联网  文字大小:   [举报] 已有评论(0)


    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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    (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


 


    


 
 


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    超导体发现年代及其临界温度


 


    实验物理学家没有放弃梦想,他们一直在努力。一点一滴的小惊喜在不断引起大家的激动。研究表明,元素周期表中许多单质在低温下都是超导体,有的需要加高压也能实现超导,这些单质炼成合金,临界温度将更高,它们统称为“金属合金超导体”;一些金属化合物中电子尽管显得“很笨重”也能实现超导,被归为“重费米子超导体”;C60和碱金属的化合物甚至一些有机材料也是超导体,被划为“有机超导体”;更令人欣喜的是,许多往往被认为导电性能很差的金属氧化物如钛氧化物、铌氧化物、铋氧化物、钌氧化物、钴氧化物等也是超导体。超导,几乎无处不在!既然“条条大路通超导”,物理学家开始了更大胆的探索,他们在通常认为是绝缘体的铜氧化物陶瓷材料中寻找可能的超导电性。1986年开始,曙光终于破雾而出。位于瑞士苏黎世的IBM公司的两名工程师柏诺兹和缪勒在镧-钡-铜-氧体系发现可能存在35 K的超导电性。尽管临界温度尚未突破40 K,但是35 K已经是当时所有超导体临界温度的新纪录,为此柏诺兹和缪勒获得了1987年的诺贝尔物理学奖。一场攀登超导巅峰之战由此拉开帷幕,其中不乏中国人和华人科学家的身影。1987年2月,美国休斯顿大学的朱经武、吴茂昆研究组和中国科学院物理研究所的赵忠贤研究团队分别独立发现在钇-钡-铜-氧体系存在90 K 以上的临界温度,超导研究首次成功突破了液氮温区(液氮的沸点为77 K)。采用较为廉价的液氮将极大地降低超导的应用成本,使得超导大规模应用和深入科学研究成为可能,赵忠贤研究团队也因此获得1989年国家自然科学一等奖。之后的十年内,超导临界温度记录以火箭般速度往上窜,目前世界上最高临界温度的超导体是汞-钡-钙-铜-氧体系(常压下135 K,高压下164 K),由朱经武研究小组于1994年所创下。由于铜氧化物超导体临界温度远远突破了40 K的麦克米兰极限,被人们统称为“高温超导体”(这里的高温,实际上只是相对金属合金超导体较低的临界温度而言)。很快,人们也认识到,铜氧化物高温超导体(或称铜基超导体)不能用传统的BCS超导微观理论来描述。要获得如此之高的临界温度,仅仅依靠原子热振动作为中间媒介形成配对电子是远远不够的。进而,人们发现重费米子超导体、有机超导体和某些氧化物超导体均不能用BCS理论来描述,尽管电子配对的概念仍然成立,但是如何配对、配对媒介和配对方式却千奇百怪。这些超导体又被统称为非常规超导体,区别于可以用BCS理论描述的常规金属合金超导体。2001年,日本科学家在二硼化镁材料中发现39 K的超导电性,这种超导材料中有多种类电子都参与了超导电子配对,又被叫做多带超导体。二硼化镁是目前为止发现的临界温度最高的常规超导体,距离40 K的上限仅一步之遥,但无论怎么掺杂或者加压都不能脱离40 K这个“紧箍咒”。


 


    高温超导体的发现在当时沉闷的超导研究领域响起一阵春雷,人们对超导未来的发展满怀期待。然而现实总是残酷的,似乎触手可及的室温超导之梦停滞在164K这个世界纪录上,再也难以往上挪动半步。人们试图在液氮温区大规模推广高温超导强电应用技术时,发现它实际上“中看不中用”。本质为陶瓷材料的铜氧化物在力学性能上显得脆弱不堪、缺乏柔韧性和延展性,在物理上其临界电流密度太小,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热。科学家们经过20余年的工艺努力,铜氧化物超导线圈虽然已开始步入市场,但绝大部分超导强电应用还停留在常规金属合金超导体上。不过铜基超导的弱电应用目前发展迅速,利用其制备成的超导量子干涉仪是目前世界上最灵敏的磁探测技术,而用铜氧化物超导薄膜制备的超导微波器件正在走向商业化和市场化,未来世界还可能出现以超导比特为单元的量子计算机——一种基于量子力学原理的高速计算机。由于铜基超导体在非常规超导体中最为特殊,因此也具有非常重要的基础研究价值,高温超导电性的微观机理,成为凝聚态物理学皇冠上的明珠之一。挑战远远比想象中的困难,人们发现高温超导体里很多新奇物理现象可能超出了目前物理学理论体系所能理解的范畴,其中最为麻烦的就是,这类材料中电子之间存在很强的相互关联效应,成为强关联体系。经过近30年的奋斗,人们对铜基超导体取得共识的研究结论寥寥无几,更多的是充满争议和困惑。理论上来指导寻找更高临界温度超导体,近乎痴人说梦,而实验物理学家只能凭经验和感觉来大海捞针。


 


 



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