有关超导体技术的美妙动听的故事开始于1911年,但是在常温下超导体技术还没有实现。当时有一位荷兰科学家昂内斯看到了一个神奇现象,水银在-269℃时,它的电阻突然消失了,也就是说电流在这样的物体内不会有任何损失。这就是超导。
超导现象的发现,使许多物理学家感到奇怪。一些科学家就把研究的兴趣转移到超导领域,对此进行不懈的探索。其中比较著名的有发明晶体管的巴丁,他为此获诺贝尔物理奖。他与两位年轻的科学家对超导现象进行探索,做了许多实验,最后提出BCS理论。
BCS理论解除了人们对超导现象的种种疑团,并揭开超导的秘密。人们期望着有这一天,把发电站的电流毫无损失地传输到遥远的地方,比如从三峡电站把电流送到上海、广州……电阻,在超导世界里是不存在的。
但是,要实现这个美好的愿望还真不容易。经过75年的探索,超导现象仍然只能在极低的温度下实现,从当初的-269℃仅仅提高到-250℃,只提高了19℃,而且也只能利用液氦才能实现。氦是一种气体,在空气中含量极微。要把氦收集起来制成液氦,费用之高,设备之复杂,都让人咋舌。人们不得不寻找新的超导材料。
物理学家认为,如果能在-196℃以上实现超导,那么氮就是首选材料,因为氮在空气中含量极为丰富,制造液氮的费用也不贵,比较实际。但是,也有人认为,液氮并不一定有超导现象。
所以,实现液氮化只能停留在实验室内。
1986年,瑞士的两位科学家柏诺兹和缪勒向全世界宣布,他们发现一种陶瓷性的金属氧化物在-243℃时会出现超导。一下子把超导现象出现的温度提高7度。这7度来之不易,他们的发现在超导这个本来平静的湖水中激起了一股波澜,又给物理学家们一个惊喜。
他们认为,只要沿着这条路走下去,就可能找到和发现更多的新的超导材料,并在更高的温度条件下实现超导。
在瑞士科学家之后取得重要成果的是美籍华裔科学家朱劲武,他宣布金属氧化物确实是一种新的超导材料,他在-233℃时实现了超导,一下子把瑞士人的记录提高10度,当然这是非常了不起的成就。仅仅过了两个月,他又把温度提高到-175℃。事隔9天,中国科学院召开新闻发布会,宣布物理研究所的赵忠贤、陈立泉等十多位科学家,实现了在-173℃以上的超导研究,其材料分别是钡、钇、铜和氧。
一场在全世界范围内的超导竞争开始了,新的记录不断地被打破,在-169℃、-148℃的温度下也实现了超导。虽然,超导研究取得如此重要的进展,但是还是说不清楚超导的机理。不知道机理,谈何应用!对超导现象做出有影响的解释的科学家是前苏联的物理学家博古留切夫,他认为在低温条件下“原子被冻僵”了,在通电时,自由电子会畅通无阻地通过,不会像原来那样处处受到碰撞和阻碍。
所以,超导现象便出现了。但是这个理论不能解释既然在低温度下原子会被“冻僵”,为什么有的物体有超导现象,而有的物体则没有?在超导材料中,为什么有的临界温度高,有的临界温度低?能不能在常温条件下实现超导?所有这些问题都不知道。看来,超导现象研究的突破性进展只能等些年了。
近几年有新闻报道:常温超导被证实 几皮秒超导圈都要炸了
虽然很短但是也许就是真的突破的开始,因为以前的问题是怎么找到常温超导材料,现在的问题变了,怎么让常温超导材料坚持久一点,解决问题往往是从问对问题碍开始。起初,超导现象只在少数几种金属处于近乎绝对零度(零下273℃)时才会出现。那么现在呢?常温超导被证实,尽管只能存在几皮秒,相信超导圈要炸了!
常温超导被证实
在室温下对YBCO超导晶体施加红外激光脉冲,其中铜氧面的氧原子被共振激发,于是晶格结构发生形变,致铜氧面厚度在激光作用瞬间增厚了2皮米,使得平行铜氧面间的量子耦合大大增强,于是实现了瞬时的室温超导电性。anyway,是一种新型的超导态实现方式。
常温超导被证实
超导现象是如此非同凡响:在超导体中,电流的输送可以无视电阻,运送过程也不会有一丁点损耗。这项技术已经在一些领域中得到应用,比如核自旋断层扫描仪或是粒子加速器中的磁性材料。然而,要使用这种材料,它们必须被冷却到极低的温度。不过在过去的一年里,一项实验已经证明,利用红外激光脉冲,研究者首次成功地在室温下做出了超导陶瓷——尽管只持续了1微秒的百万分之几。直到现在,超导磁体、引擎和线缆都必须用液氮或液氦冷却到远低于零度的温度。如果复杂的冷却设施不再需要,那超导技术就获得了突破。
科学家首次成功地制成室温下陶瓷超导体
超导性是一种神奇的性质:超导体可以传输电流而不会产生任何电阻,于是也就不会有电力损耗。在某些尖端领域,这种技术已经开始得到应用,比如在核自旋断层设备或粒子加速器中充当磁体。然而,要想获得超导性,超导材料必须被冷却到非常低的温度才可以。“室温超导”之谜长期困扰着科学家。但就在去年,一项实验在这方面取得了突破,尽管只维持了数百万分之几微秒,但科学家依旧首次成功地制成室温下陶瓷超导体。12月3日,德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所在其官方网站报道了这一消息。
室温超导材料有着巨大的市场利用价值,这种材料可用于磁悬浮高速列车、高效的核磁共振摄影、无损耗的发电机、变压器和输电线、功能强大的超级计算机等等。如果便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导,将引发一次新的现代工业革命。
科学家首次成功地制成室温下陶瓷超导体
借助短波红外激光脉冲的帮助,研究人员首次成功地制成室温下的陶瓷超导体——尽管其维持的时间仅有数百万分之几微秒。一个由德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所参与的国际小组近期在《自然》杂志上报道了他们的此项工作。研究组相信这一现象背后的原理是:激光脉冲导致晶体晶格中的单个原子发生短暂变动,从而导致超导性的产生。这项成果将有望帮助现有低温超导材料实现在高得多的温度条件下实现超导性,因此拥有广泛应用前景。
起初,科学家们发现少数几类金属在温度仅稍高于绝对零度的超低温环境下显示超导性。之后到了20世纪80年代,物理学家们发现了一种新的陶瓷材料,其可以在零下200摄氏度左右的环境下实现超导性,也因此被称作“高温超导体”。这些陶瓷材料其中有一种是钇钡铜氧化物(YBCO)。这是一种最有前景的超导材料,未来或可应用于超导电缆,马达以及发电机等设备。
钇钡铜氧化物的晶体具有一种非常特殊的结构:双层氧化铜分子层与一层稍厚一些的钡、铜、氧原子中间层交互叠加构成晶体。这种材料的超导性便来自其中的双层氧化铜分子层。电子可以在这里结合形成所谓“库珀对”(Cooperpairs)。这种电子对可以在不同层之间穿越,这就意味着这些电子对能像鬼魂一样穿越层面不受阻挡——这是一种典型的量子现象。然而这种晶体结构也只有在低于“临界温度”的情况下才会显示超导性,因为只有在这样的条件下电子才会形成库珀对,并且不仅仅在双层氧化铜分子层内穿越,而且还能穿越更厚的中间层。而当温度高于临界温度时,这种电子的库珀对便消失了,这种材料也就变回一种导电性很差的金属合成材料。
(观察者网注:这种材料的超导性来自其中的双层氧化铜分子层,模糊区域是电子要穿越的中间层,在红外脉冲激光照射下,一些原子开始发生振动,晶体结构在室温下短暂变化。图中橙色的是铜原子,红色的是氧原子。)
有助研发新型超导材料
2013年,一个马普研究所参与的国际研究组发现,当使用红外激光脉冲照射钇钡铜氧化物材料时,它会在室温条件下短暂地显示出超导性。很显然激光脉冲改变了这种材料晶体结构中双层氧化铜分子的耦合性。然而其中更确切的原因仍然不甚明了——直到研究组有机会前往美国,利用斯坦福大学的直线加速器相干光源(LCLS)——世界上最强大的X射线激光进行分析之后才最终揭开谜底。德国马普研究所物理学家罗曼·曼可威斯基(RomanMankowsky)是这篇《自然》杂志论文的第一作者。他说:“首先,我们再次向材料照射红外脉冲激光,我们看到其中一些原子开始发生振动。很短时间之后,我们紧接着使用短X射线脉冲来测量被激发的晶体精确的晶格结构。”
这样做得到的结果是发现,红外脉冲不仅仅激发并导致原子振动,实际上还让原子发生了迁移,离开了原先的位置。这就在短时间内造成氧化铜双分子层厚度增加了2个皮米(1皮米=1万亿分之一米),或一个原子直径的百分之一左右,而它们之间中间层的厚度则相应发生减薄。这一变化增强了两个双层之间的耦合效应,从而导致晶体结构在室温下短暂地显示出超导性。
而在另一方面,这项最新研究成果也帮助改进了目前还尚不完善的高温超导体理论。曼可威斯基表示:“这项成果将帮助材料科学家们研发具有更高临界温度的超导材料。并最终实现可在室温下应用,完全无需冷却的超导材料的梦想。”到目前为止,超导磁体,马达或电机在应用时都必须使用液氮或液氦进行冷却。如果这种复杂的冷却过程不再需要,这将意味着这一领域的一项关键性技术突破。