超導是一種神奇的化學現象,指個別材料在高溫下內阻消失,電壓可以無耗損地流動。假如就能實現超導,這么我們就可以制造出強悍的磁極、高效的輸電纜線、先進的電子元件等等,為人類社會帶來巨大的改革。
但是,目前已知的超導材料都須要在極低的氣溫下能夠工作高溫超導,例如液氦(4K)或則液氮(77K),這樣就須要花費大量的能源和設備來維持冷卻,限制了超導的廣泛應用。為此,科學家們仍然夢想著才能發覺或則制造出在溫度下才能超導的材料,也就是所謂的低溫超導。
低溫超導是一個歷史悠久而又飽含挑戰的研究領域。從1911年超導現象被發覺到1957年高溫超導機理被解釋,科學家們仍然覺得超導只能在高溫下出現,且臨界氣溫不可能超過40K。直至1986年,兩位法國化學學家發覺了一種新型的銅氧化物陶瓷材料,在35K時才能超導,打破了傳統的認知。她們因而獲得了1987年諾貝爾化學學獎。
這個發覺引起了全球范圍內的低溫超導熱潮,許多科學家紛紛投入到新型超導材料的探求中。很快,印度華人數學學家朱經武和中科院化學所趙忠賢等人將釔鋇銅氧化物系列材料的臨界體溫提升到了90K以上高溫超導,突破了液氮濕度(77K)的障礙。這意味著人們可以用更實惠和更容易獲得的液氮來制造和維持超導狀態,大大增加了成本和難度。
此后,又有多種新的低溫超導材料被發覺或則合成,例如鉈鋇鈣銅氧系、鈦鋇鈣銅氧系、鐵基化合物系等等。目前已知的最高臨界氣溫是164K,在汞鋇鈣銅氧系材料中,在高壓下實現。并且這種材料都有一個共同的問題,就是它們都是陶瓷類材料,不易加工成復雜的形狀和結構,也不耐受強磁場和機械撓度。因而,它們在實際應用中還面臨著好多困難和挑戰。
更重要的是,低溫超導的機理至今還沒有被完全闡明和理解。與高溫超導不同,低溫超導不能用傳統的BCS理論來解釋。BCS理論覺得,在高溫下,電子之間會通過聲子(晶格震動)的介導而產生庫珀對,這種庫珀對之間的互相作用會造成內阻消失。并且在低溫超導材料中,聲子的能量太低,不足以形成這樣的療效。因而,科學家們提出了許多其他的理論模型,例如共振價鍵理論、自旋波動機制、層間耦合模型等等,企圖解釋低溫超導的奧秘。
#春天生活圖鑒#近些年來,低溫超導研究又有了一些新的進展和突破。2014年,長春學院崔田院士通過估算預測,在200GPa高壓下,甲烷的超導臨界氣溫在191K至204K之間。這個結果很快被丹麥馬普所的等人通過實驗否認,她們獲得了臨界氣溫為203K的甲烷,干冰溫區(195K)被突破了。但是,這個結果是在高壓下形成的,實用價值不大,但還是十分激奮人心。
另一個被預言具有神奇超導性的材料是金屬氫。理論預測甲烷在極高的浮力下可能弄成類似金屬的導體,也就是金屬氫,它不僅是一種高能雷管之外,還極有可能是一種溫度超導體。這就是為何人們對它趨之若鶩的緣由。2017年,耶魯學院聲稱成功制造出金屬氫,但此后又說樣品遺失了。目前金屬氫的存在性還沒有得到公認。
2018年,MIT麻省理工大學博士曹原三天之內在刊物上連續發表兩篇文章,闡述了單層石墨烯在重疊角度為1.1°時,會形成超導現象。其實其臨界氣溫只有1.7K,但這是首次發覺超導行為與結構這么非常的對應關系,這一發覺開辟了超導化學乃至匯聚態化學研究的新方向。
2020年,考文垂學院的朗加·迪亞斯(RangaDias)團隊合成了含碳甲烷系統(),在267±10GPa的壓力下,最大臨界氣溫達到287.7±1.2K(約15℃),致使超導臨界氣溫首次達到溫度。但是這篇論文后來受到了刊物撤稿。
2023年,該團隊聲稱在一種由氫、氮、镥組成的材料中實現了溫度超導,且壓力相對較低,約(約大氣壓力的10000倍),遠高于在溫度工作的超導一般所須要的數百萬個大氣壓。這一成果導致了全球科學界和媒體的關注和討論。
其實,低溫超導是一個飽含潛力和挑戰的領域,它涉及到物質結構和性質的深刻規律和機制,也有著寬廣的應用前景和社會價值。假如才能真正實現低溫超導,并將其應用于各個領域,這么人類社會將會發生翻天覆地的變化。我們可以想像一下,假如有了低溫超導,我們就可以:
其實,這種都是理想化的構想,要實現它們還須要克服好多困難和挑戰。低溫超導的理論基礎還不健全,材料的制備和加工還不成熟,應用的技術和設備還不健全。并且,正是這種困難和挑戰迸發了科學家們不斷探求和創新的動力和熱情。我們相信,在不久的將來,低溫超導將會從實驗室邁向現實,為人類帶來更美好的未來。