据美国物理学会(APS)网站显示,美国罗切斯特大学助理教授、哈佛大学物理系研究员、凝聚态物理学家迪亚兹(Ranga Dias)在当地时间3月7日举行的“静态超导实验”报告会议上公布了一份最新研究成果:

Dias团队通过实验,创造出了一种在室温和相对较低压力的可在实际条件(Practical conditions)下工作的“超导体”。该超导体由三元氢化物(Lu-N-H,即氢、氮和镥)在约20℃温度下、以及1万个标准大气压的压力下进入超导状态,具有完全导电性,从而探索这种新型超导体在室温环境中应用的可能。

同时,3月9日凌晨,该研究成果发表在英国《自然》杂志上,题目为Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride。时间戳显示,这篇论文在2022年8月投出,今年1月18日被Nature接收。

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(图片来源:美国物理学会网站)

该消息传开,在全球的物理学届甚至科学界都在热议。我也有同行朋友在现场参加了这场报告会,从现场照片来看,座无虚席,异常火爆,出于安全考虑甚至需要保安来维持秩序。这个报告内容对于全球来说,可能都是一个非常具有影响力的科学事件。同时我也看到,相关内容在网上也引发了网友热烈的讨论,一方面受到很多科学界的质疑,另一方面,有些评论甚至说“这个成果能让可控核聚变很快实现”。我一直在中科院合肥研究院等离子体物理研究所,从事聚变装置大型超导磁体的研究工作,结合我的研究,来谈谈我对这件事情的看法。

一、Dias的报告和论文展示了一个什么样的发现?

这个报告的主要内容就是,Dias团队发现了一种新的金属氢化物(Lu-N-H,氮掺杂氢化镥),能在室温(294K,约20℃)和近环境压强下(1GPa,约1万个标准大气压,比此前研究结果低了两个数量级)实现超导,并且通过电阻率测量(零电阻特性)、磁化率测量(迈斯纳效应)和比热容测量的结果进行佐证。

Lu-N-H在10±0.1kbar时获得最高转变温度294K(图片来源:Dias的《自然》杂志文章)

从这个成果本身来说,如果其他的科研团队能够独立地重复该工作,那将极大地推动常温常压超导体的研究和应用,用作者的话说“近环境压强超导和应用技术的黎明已经到来”。

二、Dias的报告和论文中的“超导”是什么?

那这项工作到底是什么呢?这就要说一下什么是超导。

超导是20世纪最伟大的发现之一。1911年,荷兰莱顿大学物理学家昂纳斯(H. Kamerlingh Onnes)在一次实验中偶然发现:将金属汞冷却到4.2K(零下268.95℃)的超低温时,其电阻突然消失的现象,此时电流可以毫无阻碍地通过导体而没有任何的损耗。

后来经过大量的实验,他发现许多金属和合金都具有与汞类似的在低温下电阻消失的特性,昂纳斯称这一特殊的导电性能为“超导态”。凭借这一发现,昂纳斯获得1913年诺贝尔物理学奖,而1911年也被物理学界称为“超导元年”。

超导的英文名称为Superconductivity,顾名思义为超级(完美)导体,昂纳斯首先发现当汞冷却到一定温度以下时电阻消失,并命名为超导态。因此,零电阻是人类观察到超导态的第一个特性,也是最直观最容易理解的一个特性。后来研究表明,一些特殊的材料当其温度低于某个特定值时将进入超导态,这个温度称为超导转变温度(Tc,亦称为临界温度),不同的超导材料具有不同的临界温度。一旦进入超导态,超导体将从电、磁、热三个方面独立地表现出一些奇妙的特性,下面将介绍超导体的两个主要特性:

零电阻特性,永不消逝的电流。零电阻是人类认识超导的第一个特性,进入超导态超导体是没有电阻的,如果做一个超导环路并感应出电流,那么它可以永久环流而几乎不衰减。据粗略估计,超导环路电流衰减到零的时间将超过宇宙寿命。

迈斯纳效应,拒之门外的磁场。1933年迈斯纳(W. Meissner)和奥克森菲尔德(R. Ochsenfeld)发现了超导体另一个重要特性——完全抗磁性,即“迈斯纳效应”。当温度降到超导转变温度下,处于超导态的超导体能将磁力线完全排斥出去,即超导体内磁场为零。

这是由于超导体靠近磁场时会在其表面感应出超导电流,这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场,两磁场相互抵消使其内部总磁场为零,即超导体排斥体内磁场。这一特性会产生一个有趣的现象——量子锁定,电影《阿凡达》中的哈利路亚山正式基于此效应才得以悬浮在云端。所谓的锁定,不仅仅是悬浮或是悬挂,而是以任意姿态“锁定”于空中。这是由于迈斯纳效应的存在,外加磁场的磁力线包络了超导体,进而抵消了其重力,磁悬浮列车正是迈斯纳的实际应用。

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电影《阿凡达》中的哈利路亚悬浮山(图片来源:电影《阿凡达》剧照)

以上介绍的零电阻特性和迈斯纳效应,只是宏观量子现象的描述,也可作为超导态的重要判别依据(Dias的报告中通过这两个性质测量结果证明Lu-N-H进入超导态),但缺少严格的微观物理解释。直到1957年,美国科学家巴丁(John Bardeen)、库伯(Leon Cooper)和施里弗(John Robert Schrieffer)提出了常规金属超导体的微观理论,即BCS 理论。

BCS理论中一个重要的假设就是电子间存在吸引力,简单来说就是一个电子会吸引周围的金属晶格而导致其周围正电荷轻微增加,而正电荷的增加又会吸引另一个电子,这两个电子被称为库珀对。而配对的电子如果动量和自旋相反,则在运动过程中能够保持“步调一致”(即相位相干),在外电场作用下可以畅通无阻定向运动而不损失能量,这就是超导的零电阻效应。而这个前提是,金属晶格的热振动很弱不足以破坏库伯对,使其保持互相约束的状态,这就是为什么金属超导体都有一个转变温度(Tc)的原因,只有温度足够低,晶格热振动才会变得微弱而不破坏库伯对。

关于BCS超导机理,著名物理学家李政道先生曾将单个电子形象表示为单翅蜜蜂,并提议做了下面这幅漫画,题曰“单行苦奔遇阻力,双结生翅成超导”。

(图片来源:物理所电子期刊)

三、Dias的报告和论文具有很大的创新性吗?

有了BCS理论的支持,相同温度下晶格热振动越弱的超导材料,其超导转变温度(Tc)就越高。那同一温度下谁的晶格热振动最弱呢?肯定是原子质量最小的那个。而自然界中最轻的元素是氢,如果能将氢变成金属,就可能获得室温或更高的超导转变温度(Tc)。困难的是氢原子间相互作用太弱,至少需要500万个大气压才能让其变成金属,于是研究人员考虑通过氢化物形式引入重原子拉住氢原子,并结合外部加压的方式,来获得高的超导转变温度(Tc),Dias的工作就是沿着这一思路进行。

氢元素(图片来源:veer图库)

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四、Dias的报告和论文为什么受到了很大的质疑?

首先,报告中给出的结果表明在10kbar之后随着压强(P)的升高转变温度(Tc)反而下降,这让大家十分困惑和质疑,有待进一步研究。

其次,就要追溯到Dias团队在2020年发表的一项研究成果,当时,他们声称开发出了一种由碳、氢和硫制成的材料,它在约15℃温度和267GPa(相当于大气压的260万倍)的环境下,电阻急剧下降甚至消失。经顶级科学杂志《自然》杂志发表后,这篇报告曾经盛极一时,但也引发了很大争议,科学界纷纷怀疑一些数据可能存在欺骗行为。后来,Dias团队在2020年11月20日对文章进行了更正。但是2022年2月,《自然》在该论文中附上了一份编辑说明,表示正在调查数据问题,建议读者在引用时要谨慎。9月,《自然》不顾Dias及其合著者的反对,撤下了这篇报告。

Dias所在团队的论文于2022年9月26日被《自然》撤稿(图片来源:《自然》杂志)

同样的团队,在同一领域的研究,令人困惑的数据,曾经撤稿的论文,所以大家在惊叹这次报告内容的同时,也多了一份谨慎和质疑。另外,现场主持人还宣布,由于特殊的原因,不许现场提问。不过该项研究成果已经发表于《自然》杂志,相信很快就会有跟进研究。所以大家可以抱着科学的态度持续关注,耐心等待其他研究组能否独立地重复该项工作,在此之前还是不要过度炒作。

五、室温超导对于可控核聚变的意义?

超导材料具有零电阻和完全抗磁性等一系列神奇的特性,在能源、科研、医疗、交通等各个领域均有重要用途。我关注到,很多网上评论都提到了室温超导在可控核聚变领域的应用,核聚变能可以满足人类对终极能源的所有愿景,它不仅清洁、安全、高效,而且取之不尽用之不竭。

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托卡马克装置尺寸与磁场强度呈负相关(图片来源:等离子体物理研究所)

超导体的应用不仅受转变温度(Tc)影响,还受到临界磁场和临界载流密度的影响,同时还要考虑超导材料制备和磁体绕制的技术可行性。所以,具有高临界磁场的高温超导磁体在同等条件下能够实现更高磁场,已成为未来超导托卡马克聚变装置设计的首选方案。2021年9月,MIT宣布采用YBCO绕制的高温超导磁体产生了20特斯拉的最高场,并计划利用该技术在2025年建成第一个能够实现能量增益的磁约束聚变装置。

MIT研制的高温超导磁体(20T)(图片来源:MIT新闻网)

根据相关报告,Dias团队只是发现了一种在近环境压强和室温条件下具有超导性的三元氢化物体系。如果该项研究能够被其他研究组独立重复,将叩起近环境压强室温超导研究和应用的大门。但从超导材料研究到实用化还有很长的路要走,特别是应用于复杂的聚变堆超导磁体,不过可控核聚变研究更期待着具有更高临界参数和实用价值的超导材料被发现。

即使是已经产业化的高温超导体,应用于大孔径高温超导磁体还面临诸多技术挑战,且也需要运行在超低温条件下以获得高磁场强度。面对挑战,等离子体物理研究所科研团队已提前部署,在新型导体结构设计与制备、磁体设计分析与制造、稳定运行诊断与评估等方面均有所突破,以高场超导磁体技术发展助力可控聚变事业。

人类历史上首座全超导托卡马克实验装置——EAST(图片来源:等离子体所)

注:Tc中c为下角标

出品:科普中国

作者:王腾(中科院合肥研究院等离子体物理研究所)

监制:中国科普博览