“室温超导”诺奖级？！那就让子弹飞一会！

发布时间：2023-03-10 09:24:08 所属栏目：外闻来源：

导读：美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队日前在美国物理学会会议上宣布，他们已经成功地创造出这样一种可以在室温（room temperature）加热条件下轻松地实现高度超导的全新非晶合金材料

美国罗切斯特大学的物理学家兰加·迪亚斯（Ranga Dias）及其团队日前在美国物理学会会议上宣布，他们已经成功地创造出这样一种可以在室温（room temperature）加热条件下轻松地实现高度超导的全新非晶合金材料。

对于这个火爆的话题，多名专家发表看法，中科院物理所也发文进行科普，称“让子弹再飞一会儿”。

另据上证报报道，复旦大学物理系教授李世燕接受采访时表示，该发现还有待证实。如果被证实，由于其所需压力也不算高（此次的合成和测试条件跟之前相比已经宽松很多），这将是诺贝尔奖级别的成果。从应用场景来看，虽然是室温超导，但是因为需要上万个大气压，其应用的场景会极为有限。目前最重要的还是其他研究小组来证实该发现。

“从商业上来说，作者自己也成立了公司，他说得很清楚，现在不会把这个样品提供给别人，他们会试图将该材料商业化。虽然从目前合成量来说，样品只有不到1mm，极微量，但因为合成条件并不严苛，不排除后期大规模合成的可能。从应用场景来看，虽然是室温超导，但是因为需要上万个大气压，其应用的场景会极为有限。目前最重要的还是其他研究小组来证实该发现。”李世燕说。

一、超导及其应用价值
超导态是材料的一种特殊状态，在超导态中，材料处于零电阻的状态中，初中二年级的物理告诉我们，电阻是材料普遍具有的性质，当电流流经材料时，其内部的晶格、杂质等会对载流子运动产生阻碍，载流子本身携带的能量会被转移到晶格上，宏观上造成焦耳热，电势也会相应下降。

而没有电阻的超导体就完全没有上述问题，电流流经超导体，既不会发热，也不会出现压降，因此外加的电流可以无损伤地衰减，非线性地在非常高的超导体中周期性地流动。

很明显，超导体的意义是显而易见的，如果我们的电线都采用超导体，那就不会存在能量衰减。我们现阶段使用的特高压输电技术，其实就是提高输电线的电压，来尽可能降低能量损耗，可如果使用了超导电线，将完全不存在这个问题，将彻底改变整个行业，我们可以直接以市电电压传输电力，完全不需要变电站，我们或许可以直接使用直流电。

当我们需要一个很大的磁场时，我们首先想到的是什么？磁铁？不不不，永磁体的磁场远远达不到我们的要求，再回想一下初中二年级的物理知识，没错，通电螺线管！！利用电流，我们也可以得到磁场，更令人振奋的是，磁感应强度与电流强度成正比，也就是说，电流越大，磁场越强。

但大电流就会遇到上文提到的两个问题，焦耳热与压降，大电流会产热，更令人绝望的是焦耳热与电流的平方成正比，因此，电流每增加一分，磁场就会相应增强一分，但产热会按平方增加，最终绝大多数能量都将转化为内能。

焦耳热的来源是电阻，只要没有电阻，就可以完全不考虑焦耳热的影响，因此超导体在这里的意义就显而易见了，我们如果利用超导体线材制作线圈，就可以几乎无节制（磁场也可以抑制超导态，这里需要注意产生的磁场不能超过超导体的临界磁场）地提升线圈内的电流强度，进而获得强大的磁场。这就是核磁共振中强大磁性的来源。

二、超导的发现及其机理
1911年，昂内斯改进了制冷设备，率先将温度降至液氦沸点之下，在此期间，他发现汞的电阻在4.2K时突然降为零，经过再三确认，他最终确定，这不是实验上的失误或误差，这是汞本征的性质，由此，他打开了超导的大门，汞也是我们发现的第一个超导体，Tc为4.2K。

昂内斯仅仅测量的汞的电阻，这揭示了超导体在电输运上的特征，也就是零电阻。

后来，1933年，迈斯纳在对进入超导态的锡或铅金属球做磁场分布测量时发现，当材料进入超导态后，其内部的磁场会迅速被排出体外，磁场只在超导体外部存在，超导体展现出完全抗磁性，这就是迈斯纳效应。

后来的研究发现，超导体可以进一步划分为第一类超导体和第二类超导体，第一类超导体展现出完全的抗磁效应，内部完全没有磁场。而第二类超导体则允许磁场在超导体内部产生磁通量子，也就是允许磁场部分地进入超导体。

最开始的尝试是伦敦方程，不过这个理论无法揭示穿透深度与外磁场的关系。1950年左右，前苏联科学家金兹堡和朗道提出了解释超导的唯象理论——金兹堡-朗道理论（G-L理论）。该理论建立在朗道二级相变理论的基础上，用序参量描述超导体。该理论成功解释了超导体，上文提到的第一类超导体与第二类超导体就是根据G-L方程求解的界面能的正负判定的。

最后还要简单提一下，我们目前解释超导的最好的理论就是BCS理论，这个理论的核心就是电子在与晶格的耦合中会出现电子吸引电子的可能，这样两个电子会结成库珀对，结成库珀对的电子可以看作玻色子，在低温下，发生“凝聚”，能量可以无耗散地在凝聚的库珀对中流动，实现超导态。

但BCS理论也不能解释所有超导态，我们根据BCS理论计算得到麦克米兰极限，即符合BCS理论的超导体Tc不会超过40K，但实际上很多超导体都突破了这一极限，比如铜基超导和铁基超导，这样的超导体被称为高温超导体，也就是说相对于之前20 K以下的超导体，Tc高了很多。

三、新的室温超导

同大部分超导的文章一样，Dias研究团队对样品电输运、磁化率及比热进行了测量。

a图是60Oe（Oe是高斯单位制中表示磁场强弱的单位，可以理解为高斯，即1T=10000Oe）下8kbar（0.8GPa）的磁矩随温度的变化图，可以明显看到其Tc为277K（4℃），b图给出磁矩与外磁场的关系，也符合超导体的特征，c图则是不同压力下的M-T曲线，这里的Tc与电阻上的保持一致，转变温度区间也很小，是非常好的转变。不过在a图中也可以看出来研究团队对原始数据做了一定处理。

Dias还对比热进行了测量，结果如上图所示，这里给出了10、10.5、20kbar的测量结果，可以看到，三个比热的曲线均能看到超导在比热上的转变，Tc与电阻的测量结果略有区别但完全可以理解，这个结果是合理的。不过该说不说，这个比热的转变并不算明显，尤其是10.5kbar的曲线，峰并不明显，10kbar的转变也尚不如20kbar明显。这三个比热的转变看起来也有些区别，尤其是10kbar和10.5kbar的数据，仅差了0.5kbar，但图像差异却很大。不过考虑是高压下测量的，或许有一些我们不知道的困难吧。
计算样品占比为92.25%，杂质为LuN1−δHε和Lu2O3。

Dias首先宣称自己在高压下合成了金属氢，相关文章发表在science上，但其他研究组没有重复出来，而他自己后来宣称，由于保存不当，保存金属氢的装置压力泄露，最终金属氢因为压力不足汽化消失了。后来，Dias也没有再合成金属氢。由此，金属氢可以说是成为了一桩“悬案”。

上次的氢化物室温超导也是由Dias合成的，其实现的压强高达270GPa，相关结果发表在nature上，但后续多个研究组试图重复该实验未果，并由于Dias未披露原始数据，多人认为其在磁化率的数据处理中使用了错误的方法，得到了并不能算正确的结论。因此在大家的一致抗议下，最终该文章被从nature上撤稿，当然，Dias研究团队所有成员都对该撤稿行为表示抗议，不过最终没有挽回。

正是因为这两起事件，领域内许多科学家对Dias研究团队其实持不信任态度，毕竟他们的数据结果总是比别人漂亮许多。但这次Dias给出很多原始数据，可以说全面又丰富，况且这次的成果只需要1GPa的压强，重复起来相对简单，想必我们很快就可以对该成果给出一个定论了，让我们拭目以待吧。而这次研究的主要目的就是为了解决一个问题，那就是如何在不改变原有结构的情况下，实现更高的密度。

（编辑：汽车网）

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