如何看待8月4日超导概念尾盘直线拉升,是室温超导有新进展吗?
为什么说“室温超导”技术颠覆了物理学?
"室温超导"技术之所以被认为是颠覆物理学的,是因为传统的超导技术只能在极低温度下才能实现,而“室温超导”是在室温条件下实现了超导现象。 传统超导材料需要冷却到接近绝对零度以下的温度才能实现超导,这需要大量的能源和设备,成本高昂,应用范围受限。而“室温超导”技术的出现,使得超导材料可以在室温下进行应用,不仅成本更低,而且应用范围更广。 此外,“室温超导”技术也可能会导致物理学的理论模型发生变化。传统超导现象的解释需要依赖于BCS理论,即库珀对理论,但是“室温超导”现象发生的机理可能与BCS理论不同,这可能会对物理学的理论框架提出新的挑战和思考。 总之,“室温超导”技术的出现代表着材料科学和物理学高温超导发展到什么地步了,离常温超导还有多远?
德国的科学家称,他们创造了一个新的超导里程碑。由马克斯·普朗克化学研究所的物理学家,米哈伊尔·埃雷米茨领导的研究小组在最高温度下获得了无电阻电流——250开尔文(相对于绝对零度-273摄氏度的温度单位),即-23摄氏度。要知道,在2015年,他们创下的最高温超导记录是203开尔文,即-70摄氏度,三年的时间内提高了接近50开尔文!
在1911年,物理学家们首次发现的超导电性这种一种奇怪的现象。通常,电流的流动会遇到某种程度的阻力——即电阻。导体材料的导电性越高,其电阻越小,电流在传输过程中的消耗越小。
但是,某一些材料在温度足够低的条件下,电阻会降到零,电流消耗为零,同时伴随着迈斯纳效应(超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象)的出现,这个时候我们就可以称这种材料为超导体。
所谓的常温超导,就是一种材料能在高于0摄氏度的条件下,把电阻降到零。如果能够实现常温超导,我们将能彻底改变电传输效率,大大改善电网、高速数据传输和电动机的工作效能,在节能环保上也能更进一步。因此,世界上许多实验室一直在研究常温超导的课题,不断有人声称创造了新的高温超导,但随后却无法通过重现性测试。
此前埃雷米茨和他的研究小组在150千兆帕的压力下,在2015年用硫化氢创造了203开尔文的高温超导记录。这一次,埃雷米茨和他的研究小组使用了一种叫做氢化镧的材料,在大约170千兆帕的压力下进行高温超导实验。今年早些时候,研究小组用这种材料获得了215开尔文(-58.15C°)的超导性,仅仅几个月后,他们改进了这一结果——250开尔文(-23C°),摄氏度几乎是北极冬季平均气温的一半!
研究人员在他们的论文中写道:“这一飞跃,比之前的203开尔文临界温度记录高出接近50开尔文,表明了在不久的将来在高压下实现室温超导电性(即273开尔文,零摄氏度)的真正可能性,以及超导电性在常规环境压力下的前景。”
埃雷米茨研究小组的这一结果尚未得到科学界的验证,论文正等待同行科学家的评议。麻省理工学院技术综述报告指出,有三个试验被认为是超导性的指标,埃雷米茨研究小组的结果只完成了其中两个,即完全导电性和通量量子化。而完全抗磁性(即迈斯纳效应)的相关试验还没有完成,该小组尚未观察到这种现象,因为他们的样品非常小,远远低于他们的磁力计的检测能力。
探索的道路是崎岖而曲折的,不管埃雷米茨研究小组的高温超导研究中的完全抗磁性试验最终能否成功,他们的成果终究是一次飞跃。希望科学家们更进一步,早日实现常规环境压力下的常温超导,大幅度降低电力传输消耗,有效减缓地球的能源消耗。
室温超导有什么意义?
室温超导的意义在于它可以彻底改变我们现有的能源转换和储存方式。
目前的超导材料需要极低的温度才能实现超导,导致制冷成本极高。但如果能实现室温超导,这意味着我们可以大规模应用超导材料来改善电力输送效率,减少能源损失和排放,同时也可以为新型电子设备和电动交通提供更为可靠和高效的解决方案。
室温超导的发现也将开启物理学和材料科学的新篇章,推动人类对物质和能量的理解和应用进一步深入。这并不是Dias团队的第一次突破性进展,他们之前曾宣称合成了金属氢和上一个室温超导,但是这些实验都未得到其他研究组的重复。这次,Dias团队发表的论文也引起了科学家们的警惕。
Dias团队声称,他们合成了由氢、氮、镥三种元素组成的三元相,该超导体在大约10kbar下可以实现室温超导电性。Tc最高处的压强为1Gpa,相比之前的270万个大气压要小很多,重复难度也降低了很多。
虽然Dias团队给出了很多原始数据,但科学家们仍然持观望态度。因为在之前的研究中,Dias团队的数据处理方法和结果一直存在争议,甚至一度导致其在Nature上发表的文章被撤稿,这也引发了其他研究组对其的质疑。
虽然这次Dias团队给出了丰富的数据,但科学界依然需要更多的实验来证明这个结果的可靠性。科学的进展需要时间和验证,我们需要保持理性和审慎,不能盲目乐观。
室温超导的研究历程
通常情况下,只有在特定温度之下,材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低,往往为几十开尔文(大约零下二百多摄氏度),这在日常生活中非常难达到,阻止了超导材料的大规模应用。
早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已经发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时,浸泡在液氦里的金属汞的电阻会消失。
但直到1957年,才有了第一个真正能初步成功描述超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库珀(Leon Cooper)和约翰·施里佛(John Schrieffer)基于“波粒二象性”建立。
他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中,电子会被束缚形成“库珀对”(Cooper pair),从而产生集体凝聚的波,这种波不同于自由电子,可以无阻碍地穿越晶格点阵。
常温超导体意味着什么?
室温超导成功意味着能源消耗模式将改变,电子产品更加高效、耐用,医学和科学研究的发展将更快速、更精准地诊断疾病,开启新的领域。
1、能源消耗模式将改变,推动能源消费模式的转变 。室温超导材料的零电阻特性使其在能源传输方面具有巨大潜力,可以大大提高能源传输的效率,减少能量损耗。
2、电子产品更加高效、耐用,可以在更广泛的温度范围内使用 。室温超导材料可以制造出更加精密的电子元件,提高电子产品的性能和稳定性。
3、医学和科学研究的发展将更快速、更精准地诊断疾病,加速科学研究的进展 。室温超导材料可以制造出更加精密的医学成像设备,如MRI,提高医疗诊断精度。
4、开启新的领域,如超高速计算机、新型电池、超导航空航天技术等,对人类社会产生深远的影响 。室温超导材料可以用于制造超导磁体、超导电缆、超导磁悬浮列车等方面,推动科技的发展。
室温超导的应用
当温度降低到一定程度时,一些物质会进入一种奇妙的状态——超导态。此时电阻消失了,电子在其中无阻碍地运动。这个温度称为超导转变温度。
这个特性使得超导在应用方面大有作为:没有电阻就不会产生焦耳热,因此可以应用于大规模集成电路,建设超导计算机;能够承载较大电流而不会有电流损耗,可以制作高压输电线、超导电机等。
常温超导最新进展?
常温超导最新进展是韩国团队称发现室温超导,而南大教授发声称不像超导,正重复实验。
7月22日,韩国研究团队发布论文,声称合成了全球首个常压室温超导,临界温度为127℃。论文一经公布,便在网络上引发了热烈讨论。
如果该成果被验证为真,那么他们不仅实现了常压条件,还将临界温度提升至400K(127℃),大大拓宽超导材料可应用的温度区间,人类将进入“超导时代”,能源、交通、量子计算等多领域有望迎来根本性变革。
7月28日,南京大学物理学院教授闻海虎接受采访的时候向记者表示,“大部分(热议)人都不是做超导的。”“我们仔细分析了他们的数据,从三个方面——电阻、磁化和所谓的磁悬浮,都不足以说明它是超导现象(材料)。”“我们判断(它所谓的超导)极有可能是个假象。”
对于重复实验,闻海虎表示,“其实我们都不想做,因为我们判断它不像超导,后来也派了一个同学在做着。国际上很多组都在重复。凭我们的经验看,(目前论文公布的数据)不足以说明它是超导。”
判断超导的基本要点
一是低温下的零电阻态,二是完全抗磁性,即迈斯纳效应。韩国研究团队希望论证,超导是电阻磁化和所谓磁悬浮效应。
一方面,通常零电阻态需要通过四点法才能标准地测得,尽管论文也采用了四点法,但论文的其中一图显示了四个尖锐的针尖作电极,这种方法有时会出现问题。同时,它们的数据当中并未发现在低温下有稳定的低噪音的零电阻态,因此从电阻上不足以说明有超导。
另一方面,该韩国研究团队使用一种名为squid超导量子干涉器件的现代超导量子干涉器件来测量,测量确实在很宽的温区,甚至在他们所声称的超导温度之上还能够发现所谓的抗磁性。但他们测量零场冷和场冷两种模式下的分叉点,把所谓的分叉点定义为了大概超导温度。