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有论文称发现室温超导体 为啥科学家们不相信

2018-09-14 12:48作者:网络整理来源:网络整理浏览次数:

(原标题:纳尼,室温超导体来了!?)

力量强大的室温超导体究竟是什么东西?

图1. 科幻电影《阿凡达》里的室温超导体“Unobtanium”

1.室温超导——科幻 or 现实?

在科幻电影《阿凡达》里,人们为了开发潘多拉星球上的宝贵资源,创造了人脑遥感控制阿凡达试图和那威人“和平共处”,然而不幸的是,强烈的利益冲突最终还是导致了大战爆发,人类在不惜一切代价摧毁外星人家园的同时损失惨重。地球人大老远跑到外星球去,究竟挖什么宝贝呢?电影里揭秘道,是一种叫做“Unobtanium”的地球上没有的神奇室温超导矿石。这室温超导体具有异常强大的力量,以至于依赖潘多拉星磁场就足以悬浮其含有这类矿石的一座座“哈利路亚”大山,其经济价值无可估量[1]!

和平主义者也许会想:如果在地球上就找到了或者人工合成了室温超导体,那么或许就没必要远征宇宙深入,避免和外星人发生流血冲突了。

室温超导体,真的可以有?

2016年三月和六月,著名的科研论文预印本网站arXiv.org先后贴出了两篇论文,号称发现了373 K的超导体和350 K的超导迹象[2][3]。从科学定义上,一般认为300 K就是室温(0 ℃相当于273 K,300 K则相当于27 ℃)。因此,373 K 和350 K都高于室温,这是否意味着室温超导体就此被发现了呢?

对于不做超导研究的公众来说,部分是将信将疑,部分是欢呼雀跃。

等等,先别高兴的太早!

在国内外绝大多数超导科研者眼中,这两篇论文纯属YY,根本不值得一看,且不论其真假与否。换句话说,在任何超导国际会议中,没有一个人会提这茬。

为什么科学家对室温超导体的发现,会反映如此冷淡呢?

我们下面就从超导的探索历史来窥见一二。

力量强大的室温超导体究竟是什么东西?


力量强大的室温超导体究竟是什么东西?


图2. arXiv上关于室温以上超导电性的报道

2.超导,是个啥玩意儿?

力量强大的室温超导体究竟是什么东西?


图3. 超导的零电阻效应和迈斯纳效应(完全抗磁性)

要说室温超导是啥,先得回答什么是超导。从字面意思上,超导就是超级导电之意。超导体导电能力有多强?在一定温度(定义为超导临界温度)之下,超导体电阻为零[4]。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来,但是精确实验表明,超导材料的电阻率要小于< 10-18 Ω ? m,要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等(也是目前电线的主要成分)要整整低了10个数量级!这意味着,在闭合超导线圈中感应出1 A的电流,需要近一千亿年才能衰减掉,比我们宇宙的年龄(138亿年)还要长!因此,我们有充分的理由认为超导态下电阻为零[5]。第一个超导体——金属汞,由荷兰科学家卡末林?昂尼斯等人在1911年发现,并因此获得了1913年诺贝尔物理学奖[6]。

形成神奇的零电阻态同时,超导体还“修炼”成了另一种神奇的“金钟罩铁布衫之功”——可以把体内的所有磁力线排出外面,体内的磁感应强度也为零!无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部,超导体具有“完全抗磁性”。该效应于1933年被德国科学家沃尔特?迈斯纳发现,又被称为“迈斯纳效应”[7]。

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料,才能从科学意义上称之为超导材料!

重要事情说三遍!!!

从微观上来说,超导态是电子的一种宏观量子有序态。超导的出现实际上是电子群体“手牵手”配对并凝聚的过程。尽管我们习惯认为两个带负电的电子永远因为库仑作用而相斥,但是,倘若它们因为某种间接作用而发生微弱的相互吸引呢?那么,原本是冤家的电子将各自寻找合适的伴侣而两两配对,电子对们将在量子力学的效应下实现“步调一致”的行走模式,最终集体凝聚到了稳定的低能组态——超导态。因为配对电子动量相反,所以当其中某个电子受到散射发生能量损失,另一个反方向运动的电子就会受到类似散射但发生能量增加,电子对保持能量不损失的状态继续运动,出现宏观零电阻态。而电子对们的集体抱团行为,形成了良好屏蔽效应,磁力线也很难渗透到内部,也就有了完全抗磁性[8]。

力量强大的室温超导体究竟是什么东西?


图4. 快速、稳定、高效的超导磁悬浮列车

3.超导有何用?

凡是用得上电的地方,都有超导的用武之地。

超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗,超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势,是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。欧洲大型强子对撞机上的9300多个超导磁体,就是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常规磁悬浮技术相比,超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全,是未来交通工具的重要明星之一。

超导还具有许多复杂有趣的微观量子效应,利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪,对外磁场感应极其敏感,是目前世界上最灵敏的磁测量仪器,仅受到了量子力学基本原理的限制。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特,是未来量子计算中最重要的量子单元,基于量子力学原理实现的高性能计算,将掀起一场新的信息革命。