科学家们长期梦想的室温超导终于实现了吗?
昨天,科学界爆出一则重磅新闻,甚至被认为囊括了今年的诺贝尔奖,美国科研团队宣布实现了室温超导。
首先,什么是超导?
1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现,当温度降至约-268.95℃时,浸入液氦中的金属汞的阻力就会消失。
简单来说,当导体在某一温度下呈现零电阻的状态,就称为超导。
显然,在如此低的温度下实现的超导度物理学家,并不具备很强的实用性能。比如在电力传输方面,为了实现零电阻,不可能在每根导线上挂上能提供零下200摄氏度的设备。因此,提高温度实现超导成为众多科学家的愿望。
那么最近终于有好消息传出,美国罗切斯特大学的团队制备出了一种新材料,在室温约21℃、加压至10000个标准大气压下实现了超导。这个消息可以说在人类物理学界掀起了一股轰动。在美国物理学会的年会上,来自世界各地的科学家齐聚一堂,其中就包括华裔科学家、高温超导领域的先驱朱经武教授。而在新闻发布厅外,更是聚集了大批没有门票的科研界人士,由此可见这次室温超导对物理学界的冲击有多大。
那么为什么室温超导会受到如此多的关注呢?
如果室温超导能够成为现实,那么粒子对撞机、受控核聚变、量子计算机、核磁共振、磁悬浮等都将迎来重大突破,而从发电厂到用户的传输过程中6%-10%损耗的问题也将得到解决。这将彻底改变我们现在的能源状况,使电力的应用更加高效,人类科技发展必然会迎来加速度。
那么室温超导是如何实现的呢?这个故事要从20世纪50年代说起。
1957年,美国科学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·施里弗提出了新理论,并因此获得了诺贝尔奖。他们认为,当有电压时,金属外层的自由电子会穿过晶格形成电流,但通常这种晶格存在缺陷,会因热振动而阻碍电流通过。在超导体中,电子会被束缚形成“库珀对”,从而产生集体凝聚波,这种波与自由电子不同,可以毫无阻碍地穿过晶格。这也是人类对超导现象的首次描述。
我们可以简单理解为有了库珀对的存在度物理学家,电阻就会消失,但是库珀对会随着温度的升高而逐渐消失,这就成了一个棘手的问题。1968年,美国科学家尼尔·阿什克罗夫特提出了一个想法,就是利用氢原子,因为氢原子非常小,可以让晶格中电子之间的距离更近,也可以让凝聚波传播得更快,让“库珀对”更近。
然而,如果只使用氢,则需要1000万个大气压才能实现超导目标。需要添加其他元素将氢嵌入其中,以降低条件的苛刻性。
2019年,美国科学家马杜里·索马亚祖鲁宣布,在190万个大气压下,十氢化镧(LaH10)可以在260K以上表现出超导性,也就是接近室温,也就是零下13摄氏度左右。这是历史上超导临界温度的最高记录。
2020年,美国罗彻斯特大学的朗加·迪亚斯取得进一步突破,他制备出一种含碳硫化氢,在260万倍大气压下实现了最高临界温度约15℃。
不过260万倍的压力已经非常高了,毕竟地心压力约为,所以这种超导现象只能在实验室条件下实现,并没有什么实用价值。
这项室温超导研究成果随后发表在世界顶级学术期刊《自然》上,但被撤回。该期刊认为其数据处理方式存在问题。在处理原始数据时,去除了背景噪音,但论文并没有对这一现象给出合理的解释,实验结果也未能重现。一些物理学家甚至认为这是一场骗局。
此次,迪亚斯团队准备了一种由镥氮氢(Lu-NH)组成的新型材料,最终在10000个大气压、室温21°下实现了超导,震惊了整个物理学界。
迪亚斯还表示,这是新材料可以投入实际应用的开始,有了这种材料,近常压超导及应用技术的曙光已经到来。
他还强调,在罗切斯特大学实验室和其他实验室进行了多次重复实验贝语网校,并有第三方观察和独立的工作验证。
有朋友可能会说需要1万个大气压,这个压力也很高了。其实这不算什么,毕竟加工人造钻石还需要5万到6万个标准大气压,以及1400多度的温度。可见,这次实现的超导现象条件并不算很苛刻,所以如果属实,绝对可以称得上是一次巨大的突破,很有可能成为重塑21世纪的革命性技术。
总之,室温超导的科研成果虽然备受关注,但也饱受质疑。接下来还要看其他团队能否实现重新测试,进一步验证。毕竟迪亚斯团队之前就有论文撤稿的经历。同时1万个大气压的条件还是很高的,在实际应用中,迪亚斯的室温超导距离现实还有很长的距离。