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超导体材料的应用(超导体材料的应用例子)

科学家发现,原先只能在极低温度下工作的超导体,一旦施以高压,在室温下也能超导。这种新的特性为超导体研究开辟了新的前景。

1987年3月19日,一则科学新闻罕见地登上了全世界报刊的头版。

这条新闻与超导领域的一项重大突破有关。超导体是一种能够零电阻传输电力的材料。一旦研制出一种实用的超导体,必将在能源的储存和运输方面引发一场革命,而这正是身处全球气候变暖时代的我们梦寐以求的。

33年过去了,这场革命仍在期待之中。不过,最近又有了进展。我们已经制造出一种接近室温条件下工作的超导体。而且,过去寻找高温超导材料(实际是常温超导材料),我们一直靠瞎摸瞎撞;而现在,理论和实验正在结合,为这一领域开辟新的途径。

低温超导和高温超导

说起超导,这是一个很长的故事。这里我们只能长话短说。

1911年,荷兰物理学家海克·昂内斯发现,水银在4.2K下突然完全失去电阻。由此,他提出“超导”这一概念。一种材料变成超导体的温度,被称为“转变温度”。第二年,锡和铅也被发现能变成超导体,转变温度分别为3.8K和7.2K。随后其他金属,通常是铌锡等合金,也被发现具有超导电性。

这些材料被称为低温超导体或传统超导体,因为它们只能在极低温度下工作。1950年代,三位物理学家发展了第一个超导理论——BCS理论,向我们揭示了低温超导的原理:金属中的电子可以两两配对,利用量子特性绕开晶格中的正电荷,实现无损耗移动。但这种配对在较高温度下会被破坏,这就是超导只有在低温下才能实现的原因。至少直到最近,传统超导体最高只能在40K左右的温度下工作。这意味着它们必须使用昂贵的液氦(4.2K左右)进行冷却。

1987年让世界如此兴奋的是科学家发现了温度100K以上的超导材料。这是一个巨大的飞跃,因为它们只需用相对容易获得的液氮(77K左右)冷却。这被称为高温超导体。第一批高温超导材料是铜氧化物。到1993年,科学家已将最高的超导温度推进到133K,朝室温293K(相当于20℃)迈进了一大步。

然而,令人沮丧的是,高温超导此后很长时间再也裹足不前了。一个重要原因是,科学家无法从理论上解释高温超导现象,缺乏理论指导,他们只能瞎摸瞎撞。

高温超导体在实际应用上也是个问题。铜氧化物超导体像很脆的陶瓷材料,你无法把它们拉成细线。它们的制造成本很高,稍有杂质污染即失效。

低温超导体需要极低的温度,高温超导体无法拉成导线,这就极大地限制了它们的应用。不过即便这样,由于超导体那无可替代的优越性,它们已经在局部领域大显身手。譬如,欧洲核子中心大型强子对撞机上引导粒子的强磁场以及医院核磁共振扫描仪使用的强磁场,都是由超导体提供的。它们通常是铌锡合金,用液氦冷却到4K或更低。

两项新的突破

最近一些年,冷寂已久的超导体研究又迎来了新的突破。一个是石墨烯超导体的发现。石墨烯是单个原子厚度的碳膜。将两片石墨烯放在一起并稍加扭曲,就会使其成为超导体。石墨烯超导体虽然只能在1.7K温度下工作,但至关重要的是,它似乎与铜氧化物的高温超导遵循同样的原理。这意味着,搞清楚石墨烯的超导机制,有助于理解高温超导是怎么实现的。

2020年底,另一项成果引起人们极大的兴趣。说起来,这又是一个长故事。早在1968年,美国物理学家尼尔·阿什克罗夫特证明,如果把氢变成固态的金属氢,它里面的电子就会两两配对,在室温条件下实现超导。但氢气需要在上百万大气压的超高压下才能变成金属氢,而这一点在实验室并不容易实现。此后,阿什克罗夫特继续研究,并在2004年从理论上证明,在极端高压条件下,即使不是纯的氢,只是氢化物,在室温也能实现超导。

受阿什克罗夫特工作的启发,2006年,英国剑桥大学的材料科学家开发了一个软件,可以让人通过计算来探索一种固体材料的内部结构,分析其电子在特定温度下的表现,从而确定其成为超导体的潜质。由于计算比做实验更快,成本更低,这就为科学家提供了有力的指导。

高压下的高温超导

受到该软件的启发,2015年,一位德国物理学家使155千兆帕高压下(标准大气压的150万倍)的固态硫化氢,在203.5K(约-70℃)实现了超导。

2020年,一个美国研究小组制造出一种在287K(相当于14℃)下超导的材料。这是第一次在类似于室温的条件下实现超导。他们通过在两颗钻石之间挤压材料,达到了267千兆帕的高压(接近地核处的压强)。

这意味着,只要给予很高的压强,传统超导体在室温下工作也是可能的。为什么传统超导体会有这种特性呢?这就需要我们发展BCS理论,从理论上作出解释。一旦有了新理论,我们或许就能预言在压强不特别高的条件下实现高温超导的新材料。这样的理论至今还付之阙如,但应该为时不远。2020年,有人根据一个初级理论,已经预言了一种材料,只需要100千兆帕压强,就能在0℃将其转变为超导体。

最后,需要说明的是,当我们谈起超导革命的时候,往往想到的是“室温超导”;但“室温”并不是一个必需的条件。只要找到一种材料,它相对便宜,可以容易地拉成导线,并能在液氮温度(77K左右)下工作,就可以启动这场革命。

例如,这就足可以让我们更便宜地制造核磁共振扫描仪,扩大其在医学上的应用。在电力传输中也是如此。使用液氮冷却并不是一个障碍。给电缆制造真空瓶式的外套以阻止液氮过快沸腾,在今天其实是相当容易的事情。

拓展阅读:超导体将如何改变世界?

在普通高压电缆的长距离传输中,大约10%的电能会被损耗,因此用超导体制造电缆,实现在室温下零电阻地传输电力,将是一个大变革。此外,电流在环形超导体中可以零损耗地持久流动,所以我们可以将来自可再生能源的电力储存在超导电路中,待到需要的时候再使用。这样,超导体不仅为我们节省能源,也为我们减少温室气体的排放作出贡献。

使用超导体,用更细的导线即可传输更强的电流,这就可以提高电机的发电效率,减轻其体重,在电动汽车中将获得广泛的应用。在未来的核聚变反应堆中,由于参加聚变反应的等离子体温度极高,没有一种实体的容器能够“盛放”这种等离子体,所以我们只能求助于用强磁场将其悬浮、限制在空中。这种强磁场,也只有超导体才能提供。

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