中科院物理所建议“让子弹再飞一会”。2023年3月8日,是美国物理学会的三月会议中的一天,看似平平无奇的一天,却爆出来惊人的物理学进展。罗彻斯特大学的Dias团队宣称,他们发现了近常压的室温超导体,该超导体是由氢、氮、镥三种元素组成的三元相,该研究团队认为,其在大约10kbar(也就是1GPa,约相当于1万个大气压)下可以实现约294K(也就是约21℃)的室温超导电性。
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,因此电流可以无衰减地在超导体中流动。
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,将彻底改写整个行业,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。
但是,由于超导Tc(超导转变温度,指超导体由正常态进入超导态的温度)的限制,这一设想完全无法实现,我们现在发现的绝大部分超导体Tc都在77K(-196℃)以下,这是液氮的沸点,Tc在这之下的超导体大部分时候是使用更加昂贵的液氦制冷来使其进入超导态,只有少部分铜基超导体Tc达到了77K之上,可以使用液氮制冷来使其进入超导态。
即便如此,超导体在我们日常生活中已经有了应用,医院的核磁共振便采用了超导体,这就涉及了超导体的另一重大应用方向,即产生大磁场。
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。实际上很多材料都具有超导电性。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。
Dias研究团队对样品电输运、磁化率及比热进行了测量。首先是电阻的测量结果,左图中给出了10、16、20kbar(1、1.6、2.0GPa)下的电阻测量结果,三个电压下电阻都降低到了0,这正是超导体的主要特征之一,需要注意的是,这里1GPa时Tc是最高的,压强越低,Tc越高,是一个令人意外的结果。插图是样品及电极图片。右图则给出了超导态与正常态的V-I曲线。
这项工作无疑是突破性的,相关证据也很充足,如果能重复出来,搞不好未来能发诺奖。但物理学的研究终究不是一家之言,任何科学研究都应该经得起验证,这个也不例外,这项工作势必要经过行业内各个研究组的重复,如果经过多次重复之后,确定该结果的正确性,那将是划时代的工作。