科创未来丨科普多一点神奇的超导

　　来源：【四川日报-川观新闻】
　　川观新闻记者 徐莉莎
　　全球热议的＂室温超导＂新突破，或已被光速证伪。
　　3月15日，南京大学超导物理和材料研究中心闻海虎团队，提交了一篇包括9名作者、长达16页的研究论文，直截了当否定了美国罗切斯特大学兰切·迪亚斯团队的室温超导研究结论。
　　就在8天前，迪亚斯宣称，他的团队在1GPa（约1万个标准大气压）下，实现了294K（21℃）的室温超导。消息一经传出，立刻轰动全球。
　　很快，分别有三个中国团队相继＂复刻＂了相关实验，没能得到同样的结果。
　　超导现象发现百余年以来，引无数物理学家＂竞折腰＂。专门授予超导领域的诺贝尔奖就有5次，其他与超导相关的诺贝尔物理学奖更是数不胜数。
　　超导为何如此迷人？在四川，科研人员围绕超导，有哪些典型的研究和应用？
　　它是诺奖＂收割机＂，引无数物理学家＂竞折腰＂
　　超导，其实就在我们身边。顾名思义，超导就是超级导电的意思。
　　1911年，荷兰物理学家卡末林·昂尼斯团队打开了超导的大门。他在研究低温下金属汞的电阻时，发现汞的电阻变为零，并把这个具有零电阻的导体称之为超导，把发生超导现象的温度定义为临界温度。随后，德国科学家又发现，超导体还具有特殊的磁性质——完全抗磁性，即当超导体材料处于超导态时，所有的外磁场磁力线将被排出导体体外。
　　中科院物理所研究员罗会仟科普，一个材料能否称之为超导体，必须同时具有零电阻和完全抗磁性两个独立的物理性质。因为这些神奇的特性，超导材料具有许多潜在应用。
　　电流穿过电子设备时，会遭遇电阻，导致能量以热量的形式损失掉。当我们的手机在高负荷运转或充电时会发热，就是这个道理。而超导是零电阻，所以电流可以在超导体中没有阻力、热损耗、衰减地流动。可以说，有电的地方，就有超导的用武之地。
　　如果开发出这种材料，实现近常温的应用，那能源、医疗、国防、核聚变研究等方面都能获益。
　　例如现阶段最高效的特高压交流输电技术，需要经过变电站，以市电电压传输到各家各户，长距离传输会带来电能的损失，造成能源浪费，加重环境的负担。而零电阻的超导电路，就完全不需要变电站，可以在较低电压下进行高功率传输，零损耗地传输电能，可以为能源行业带来革命性的变化。
　　此外，室温超导技术还能够推动超导磁悬浮列车的研发、解决大容量电子芯片线路过热等技术难题。
　　尽管有广泛的应用前景，超导领域却一直面临困境——超导的实现必须依赖一定的条件。其中最关键的是超导临界温度不能超过40K（即零下233.15℃）。这样一来，超导体必须通过昂贵的降温技术，比如液氮、液氢，极大增加了超导的应用成本。
　　为了让超导体规模化应用，常压、室温超导体引得科学家们＂竞折腰＂。在100多年的时间里，科学家们主要做的一件事情，就是不断地寻找更高温度的超导体，刷新超导临界温度的纪录。但科学界一直未能破解室温超导性的密码。
　　也正因如此，迪亚斯团队宣布发现的近常压的室温超导体才引发广泛关注。
　　四川学者近日在《自然》杂志刊文，找到镍基超导看不见的＂手＂
　　在探寻室温超导之路上，四川也有不少科研人员为之着迷。
　　就在3月2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在《自然》上发表研究成果。文章指出，氢元素是一只＂看不见的手＂，它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。
　　乔梁团队为理解镍基超导的物理起源提供了关键信息。
　　都是超导材料，镍基超导又是怎么一回事？超导现象虽然看似神奇，但却普遍存在于各种化合物之中。1968年，美国物理学家威廉·麦克米兰预言，得到最大超导体临界温度约是30—40K，也就是所谓的＂麦克米兰极限＂。1986年，这一预言被打破。两名欧洲科学家发现了以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体，临界温度35K。这一发现引发了铜基超导研究的热潮。美国休斯顿大学的华裔物理学家朱经武团队找到一种超导临界温度高达93K的铜氧化物陶瓷材料。
　　＂为什么铜基超导可以打破麦克米兰极限？＂乔梁说，到目前为止仍不能解释。能不能借助一个类铜的材料，通过对其超导机制的研究，反推铜基超导的机理？在元素周期表上，镍与铜相邻，过去10年来，不少物理学研究者也踏上了镍基超导这条路。中国科研团队擅长于铁基超导的研究，在对铜基超导物性研究和机理研究中，来自中国的声音并不多。
　　2019年，美国斯坦福大学的团队在基于无限层结构的镍氧化物外延薄膜中发现了超导电性。＂从无到有，具有划时代的意义！＂乔梁回忆起当时的心情。最让他兴奋的是，他博后期间，正是在做这类薄膜。在此之前，他没有做过超导领域的研究。＂我们要不要试一试？＂乔梁和团队商量。当年9月，他和团队＂半路出家＂，走上了镍基超导之路。刚开始的研究并不顺利，在疫情、实验室搬家等客观因素影响下，到2021年4月，乔梁团队才成功＂重现＂了镍基超导样品。
　　镍基材料为什么可以实现超导？为什么只有全球几个团队可以做出来？当不同科学家的课题组制备的材料样品频繁出现＂性能不能重现＂的问题时，第一直觉告诉他——材料内部可能存在着不为人知的＂隐变量＂，悄悄改变了制备出的材料的物理性能。
　　团队在超导样品里氢的调控实验中发现，如果温度不变，逐步增加还原时间，会发生＂弱绝缘→超导→弱绝缘＂的变化。为什么调控时间会引起这样的变化？＂黑匣子＂内，到底谁是那只＂看不见的手＂？
　　元素周期表排名第一的氢元素，具有最小的原子半径和原子质量，其无处不在又很难被探测到。考虑到＂藏在角落＂的氢有可能显著改变材料的电子结构和物质性质，联想到实验中用到的还原剂钙化氢。乔梁想，＂会不会是氢元素在起作用？＂在合作者的帮助下，他们发现了镍基超导外延薄膜中存在大量的氢元素，还进一步＂锁定＂了氢元素在材料内部的原子占据位置。
　　镍基超导中氢元素作用示意图。受访者供图
　　乔梁凡事喜欢多问一个＂为什么＂。通过进一步研究，他们揭示了氢元素起作用的微观机制。＂这只‘看不见的手’在无限层结构镍基氧化外延单晶薄膜的制备过程中，悄悄地起到改变费米面电子结构的作用，并在镍基材料超导电性的产生过程中扮演着关键性的角色。＂
　　该成果为理解镍基超导的物理起源提供了关键信息，也为未来深入理解镍基超导的相关物理和材料性能，提供了准确的物理模型。
　　在四川，高温超导托举起十几吨重的列车
　　除了研究超导材料，在四川，也有科学家在积极开展高温超导应用技术的研究，其中诞生了一个重要领域的研究应用——高温超导磁浮列车技术。上世纪80年代起，西南交通大学相关团队就在进行原理验证。
　　西南交大九里校区，牵引动力国家重点实验室门口，一辆重逾10吨的鸭嘴型磁悬浮列车车体，静静地＂浮＂在轨道上。仔细看，整个车体离轨道尚有10毫米左右的空隙。
　　2021年1月13日上午，具有完全自主知识产权的高温超导高速磁浮工程化样车及试验线在西南交通大学九里校区正式启用。 川观新闻记者 华小峰 摄
　　自2021年1月工程化样车正式启用，政商学界的来访者络绎不绝。大家好奇：世界首条高温超导高速磁浮工程化样车及试验线，到底什么样？预期运行时速600公里，坐起来什么感觉？
　　＂你看到的是两条不锈钢平板取代了传统钢轨轨道，实际上不锈钢板下方才是我们真正的轨道——永磁体。＂西南交通大学设计研究院有限公司技术中心副总工程师李艳说。在样车底部，一个名为＂杜瓦＂的盒子里，则装着超导块材。利用超导体的钉扎特性，即超导体和永磁体之间产生了＂若即若离、又不离不弃＂的悬浮力和导向力，超导钉扎磁浮得以实现。
　　李艳表示，＂现阶段，超导材料进入超导态需要一定的低温条件。＂为了维持超导块材的自稳定悬浮状态，唯一需要的是制冷剂液氮，零下196℃的液氮使超导材料一直处于超导状态。在试验线旁侧，配备有液氮制备机、液氮罐和自动灌注系统。
　　她期盼着，如果未来能用上在大气环境下工作的室温超导材料，这些降温所需制冷剂和设备都可以取消，将会进一步提升磁浮列车的应用价值。
　　而超导材料的应用十分复杂，不止是提高临界温度这么简单。找到这样的材料，宛如大海捞针。
　　此外，罗会仟认为，并不是找到了一种室温超导体，就马上能用了，就立刻带来技术革命、能源革命，现在还远远到不了这个地步。从工程应用上说，还会有很多非常细节、非常复杂的问题，对制备材料提出更高要求。
　　＂室温超导肯定是很难的，哪有那么容易呢？＂闻海虎在接受采访时说，＂室温超导是很长远的梦，但是我们心中要存有这个长远的目标，认真去做。＂
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