不靠谱的室温超导,该如何实现?

作者: 罗会仟

来源: 转自公众号:中国物理学会期刊网

发布日期: 2023-08-03 08:15:10

自从超导材料被发现以来,人们就没有停止过对室温超导的向往和探索。尽管有许多声称的室温超导体难以经得住推敲和考证,但科学家们依旧在努力寻找可实用化的室温超导材料。探索室温超导的途径包括合成新材料、改进现有材料和特殊条件调控材料。部分科学家认为有机材料可能是实现室温超导的关键。随着科学技术的不断进步,发现室温超导的梦想有望实现。

自从超导材料被发现以来,人们就没有停止过对室温超导的向往和探索。全球最大的论文预印本网站arXiv.org经常报道出各种“室温超导体”,但很可惜,这些声称的“室温超导体”,都是很难经得住推敲和考证的。绝大部分室温超导体都这么不靠谱,那么该相信谁?

从事超导研究的科学家们,有一个终极的梦想,那就是寻找到可实用化的室温超导材料。室温超导材料堪称无价之宝,人类或许在地球上找不到,也梦想在别的外星球上去获得。有趣的是,在比特币盛行之后的今天,Unobtanium已经摇身一变,成为了众多虚拟数字货币之一——超导币(UNO)。

所谓室温超导,指的是在地球室温环境下(通常默认是300 K,也即27℃)就能够实现零电阻和完全抗磁性的超导材料。这意味着,室温超导材料对应的超导临界温度必须在300 K以上。事实上,自从超导材料被发现以来,人们就没有停止过对室温超导的向往和探索。诸如有机超导体、重费米子超导体、铜氧化物高温超导体、铁基超导体等都是室温超导探索之路上的偶然发现。直到最近,人们还在孜孜不倦地追求室温超导材料。

全球最大的论文预印本网站arXiv.org经常报道出各种“室温超导体”,比如2016年Ivan Zahariev Kostadinov就声称他找到了临界温度为373 K的超导体,他没有公布这个超导体的具体组分,甚至为了保密把他的研究单位写成了“私人研究所”。还有一队科研人员声称在巴西某个石墨矿里找到了室温超导体,并且做了相关研究并正式发表了论文。

2018年8月,两位来自印度的科研人员号称在金纳米阵列里的纳米银粉存在236 K甚至是室温的超导电性,并且有相关的实验数据。毫无疑问,这些声称的“室温超导体”,都是很难经得住推敲和考证的,它们很难被重复实验来验证。

在探索室温超导之路上,除了我们熟知的那些类别的超导体之外,其实还有许多声称超导的材料。

科学家借助UFO(Unidentified Flying Object,不明飞行物)的概念,戏称这些材料为USO(Unidentified Superconducting Object),即“不明超导体”。这些不明超导体长得千奇百怪,有金属的液体溶液,有高压淬火的CuCl和CdS,也有看似正常的过渡金属氧化物或者其薄膜,还有和铜氧化物等超导材料特别类似的,也有在特殊超导材料基础上掺杂的。

它们的超导临界温度,从35 K到100 K,甚至到400 K!相关的实验证据有的是零电阻,有的是抗磁性,也有两者皆有的。不明超导体似乎看起来都像是超导体,但是它们有一个共同特征——无法被科研同行的实验广泛验证。关于这些奇怪超导的研究,都因为无法重复而不了了之,最终被大家所耻笑和忘却。

即使如此,人们心目中的那个室温超导之梦,依旧萦绕不止。无论是美国、日本还是中国,都前后启动过以室温超导材料探索为远景目标的科研项目。日本科学界甚至明确指出要探索400 K以上的超导体,为的就是在室温下可以规模化应用。只是,这些项目,目前尚未给出任何一个令人惊喜的答案,室温超导探索,依旧是漫漫长路。

寻找室温超导之路,有三条可以尝试走:1、合成新的材料;2、改进现有材料;3、特殊条件调控材料。

其中第二条是显而易见的,比如改进现有的铜氧化物高温超导材料的质量,对其进行化学掺杂等改造,以期获得更高临界温度的超导体。特殊条件调控,指的是利用高温、高压、磁场、光场、电场等方式调控材料的状态,在更高温度下形成超导态。合成新的材料是最困难的,因为没有可靠的经验能够告诉我们室温超导在哪里,只能“两眼一抹黑”去探索。

部分科学家认为,有机材料里,室温超导体的可能性最大。

原因有很多,最大的原因在于有机材料的种类非常丰富,里面冒出一两个室温超导体,“并不奇怪”。不过也需要特别小心的是,有机材料以及一些碳材料中,非常容易得到微弱的抗磁性或者出现电阻率下降的现象。早在多年以前,就有人认为碳纳米管中存在262 K甚至636 K的“室温超导”,这里只能说是“疑似”,因为其数据只是电阻存在一个下降而已,零电阻和抗磁性并不同时存在。

如果选取了合适的调控手段,室温超导也是有机会被发现的。结合X射线自由电子激光和脉冲强磁场,美国斯坦福大学的科学家发现高温超导体中可以诱导出一种三维的电荷密度波态,意味着电荷相互作用更为强烈,更高临界温度的超导电性有可能实现。德国马普所的科学家们利用红外光“加热”高温超导体内部的电子,让它们更为活跃地形成库伯电子对,在增强Cu-O面间的耦合前提下,电子对甚至可以存活于室温之上。

不过如此形成的室温超导的寿命是极短的,大概只有10^-12秒,所以又被称之为“瞬态室温超导”。

总之,超导探索之路上的多次惊喜和教训已经告诉我们,室温超导之梦并不是遥不可及。随着人们对超导认识的深入和科学技术的不断进步,将来必定能够发现室温超导,梦想总有照进现实的那一天。

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