李忠東

新材料嶄露頭角

一個(gè)多世紀(jì)以來，室溫超導(dǎo)一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在它或許終將成為現(xiàn)實(shí)，徹底改變我們的用電方式。美國羅徹斯特大學(xué)物理和機(jī)械工程助理教授蘭加·迪亞斯和同事們，在極高的壓力下壓縮氫氣成簡(jiǎn)單的固體分子，首次創(chuàng)造出在室溫下具有超導(dǎo)性的材料。新成果表明，研究人員朝著創(chuàng)造出具有極優(yōu)效率的電力系統(tǒng)邁進(jìn)了一步。如果常壓室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)，那么或?qū)⒁l(fā)能源革命。

在此之前，超導(dǎo)材料的最高溫度是2019年在德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的米哈伊爾·埃雷米茨實(shí)驗(yàn)室，以及美國伊利諾伊大學(xué)的拉塞爾·赫姆利研究小組實(shí)現(xiàn)的。該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了用鑭超氫化物在170萬個(gè)大氣壓的高壓下實(shí)現(xiàn)-23°C的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。近年來，研究人員還探索了銅氧化物和鐵基化學(xué)物質(zhì)作為高溫超導(dǎo)體的潛在可能性。不過作為宇宙中最豐富的元素，氫也是一種很有前景的元素。

要獲得高溫超導(dǎo)體，需要更強(qiáng)的化學(xué)鍵和更輕的元素。氫是最輕的材料，而氫鍵是最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一。從理論上來講，固體金屬氫具有很高的德拜溫度和很強(qiáng)的電子-聲子耦合，這是室溫超導(dǎo)所必需的。德拜溫度是固體的一個(gè)重要物理量，來源于固體的原子熱振動(dòng)理論，它不僅反映晶體點(diǎn)陣的動(dòng)畸變程度，還是該物質(zhì)原子間結(jié)合力的表征。物質(zhì)的許多物理量都與它有關(guān)系，如彈性、硬度、熔點(diǎn)和比熱等。然而，僅僅是將純氫轉(zhuǎn)化為金屬狀態(tài)就需要非常高的壓力。2017年，美國哈佛大學(xué)教授艾薩克·西爾維拉和當(dāng)時(shí)在其實(shí)驗(yàn)室做博士后研究的迪亞斯合作，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

在羅徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，迪亞斯團(tuán)隊(duì)使用一種替代性的富氫材料，它既模擬了純氫的超導(dǎo)相，又可以在更低的壓力下實(shí)現(xiàn)金屬化。研究人員首先在實(shí)驗(yàn)室中結(jié)合了釔和氫，由此產(chǎn)生的超氫化釔表現(xiàn)出了超導(dǎo)電性。接下來，他們對(duì)共價(jià)富氫有機(jī)物衍生材料進(jìn)行了探索，通過加入第三種元素——碳，將臨界溫度提得更高，因?yàn)樘寄芘c鄰近原子形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵。最終，碳質(zhì)硫氫化物可以將實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的溫度提高到15°C。

本次實(shí)驗(yàn)在267萬個(gè)大氣壓的高壓下，實(shí)現(xiàn)15°C的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。迪亞斯聲稱，這是人類第一次在室溫下觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象。他們的發(fā)現(xiàn)將為許多潛在的應(yīng)用提供可能。但他們雖然解決了溫度的障礙，卻又出現(xiàn)了高壓這個(gè)難題，此次的室溫超導(dǎo)是在267萬個(gè)大氣壓的高壓下達(dá)成的，十分接近于300萬個(gè)大氣壓的地球地心處的壓力。這么高的壓力，全世界也只有很少的實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)。

超導(dǎo)現(xiàn)象是指電能可在導(dǎo)體中零電阻通過，而這一現(xiàn)象只有在接近絕對(duì)零度（大約等于-273.15°C）的溫度下才能觀察到。科學(xué)家們一直對(duì)超導(dǎo)材料孜孜以求，但截至目前超導(dǎo)性仍需要極低的溫度和極高的壓力條件。目前，迪亞斯研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出室溫下的超導(dǎo)材料，只解決了一半的難題。金屬般的固體氫本身具有超導(dǎo)性，但因?yàn)樾枰浅８叩膲毫Χ鴺O難制造。在化學(xué)上，加入碳和硫起到對(duì)氫進(jìn)行預(yù)壓縮的作用，能降低制造難度。

超導(dǎo)體應(yīng)用廣泛

根據(jù)導(dǎo)電性能，可以將物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在導(dǎo)體中，存在大量可以自由移動(dòng)的帶電粒子，它們可以在外電場(chǎng)的作用下自由移動(dòng)，形成電流。在絕緣體中，電子則被束縛在原子周圍，不能自由移動(dòng)。半導(dǎo)體是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，帶電粒子能自由移動(dòng)，但在運(yùn)動(dòng)的過程中也會(huì)受到原子的散射，產(chǎn)生電阻。

研究團(tuán)隊(duì)將氫、碳和硫結(jié)合在一起，以光化學(xué)合成的方法在一個(gè)金剛石壓腔中合成了簡(jiǎn)單的有機(jī)衍生碳質(zhì)硫氫化物。

一塊磁鐵懸浮在一個(gè)用液氮冷卻的超導(dǎo)體上。

1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡曼林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)，把汞冷卻到-269°C時(shí)電阻會(huì)突然消失，電子會(huì)在其中無阻礙地運(yùn)動(dòng)。后來，他又注意到許多金屬和合金都具有與汞相類似的特性。他將這種特殊的導(dǎo)電性能稱之為“超導(dǎo)態(tài)”，這是人類首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。?？恕た帧ぐ耗崴挂蜓芯课镔|(zhì)在低溫下的性質(zhì)，并制出液態(tài)氦而榮獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后的一個(gè)多世紀(jì)中，新的超導(dǎo)材料相繼被發(fā)現(xiàn)，一波接一波沖擊更高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度，每次發(fā)現(xiàn)都推動(dòng)著科學(xué)家投身相關(guān)的研究熱潮。

超導(dǎo)體材料具有完全電導(dǎo)性、完全抗磁性、通量量子化3個(gè)基本特性。完全導(dǎo)電性又稱為“零電阻效應(yīng)”，是指溫度降低至某一溫度以下時(shí)電阻突然消失的現(xiàn)象。完全抗磁性又稱為“邁斯納效應(yīng)”，其中的“抗磁性”是指在磁場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為0的現(xiàn)象。“完全”則是指降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場(chǎng)2項(xiàng)操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一種無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)。通量量子化又叫“約瑟夫森效應(yīng)”，是指當(dāng)2層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對(duì)可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超導(dǎo)電流。

超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性。

超導(dǎo)體意義重大，而超導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)后，可應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的方方面面。目前，應(yīng)用電子技術(shù)都基于有電阻的電路，大量能源因普通導(dǎo)體存在電阻而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪装讚p耗。實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)有望使電能極少轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，從而提升?dǎo)體和裝置的效率，極大地推動(dòng)現(xiàn)有電子技術(shù)的發(fā)展，使超導(dǎo)電器的使用變得更加方便，讓更多的精細(xì)電元件可以應(yīng)用到我們的生活中。如基于超導(dǎo)微波技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)，表明了超導(dǎo)體在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

通常超導(dǎo)發(fā)電機(jī)有2種：一種是將普通發(fā)電機(jī)的銅繞組換成超導(dǎo)體繞組，以提高電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，具有發(fā)電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優(yōu)勢(shì);另一種為超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)，具有效率高、發(fā)電容量大的優(yōu)勢(shì)。超導(dǎo)磁流體自身損耗小，能將發(fā)電損耗降至最低，導(dǎo)致放發(fā)電變得更加容易。用銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能會(huì)損耗在輸電線路上。而由超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。

超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放置在一塊永久磁體的上方。由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，致使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方，利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。如果將磁懸浮特性應(yīng)用到機(jī)械研發(fā)上，可使重要元件沒有摩擦力，那么機(jī)械的制動(dòng)效率和速度將大大增加，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有機(jī)械做不到的很多功能。磁懸浮技術(shù)可以讓人類更加高效地利用空間，也許將來在空中生活不再是夢(mèng)想。

超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)是主磁體為超導(dǎo)磁體的磁共振成像設(shè)備。它利用核磁共振原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，可以對(duì)很多重要疾病進(jìn)行診斷。

核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億～2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體加以包圍和約束，然后慢慢釋放。核聚變?cè)系膹V泛應(yīng)用，不僅有望徹底解決能源問題，而且讓遠(yuǎn)距離的太空旅行也變?yōu)榭赡?。由于在航天器中沒有重力，致使宇航員在艙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到很大限制。而通過常溫超導(dǎo)體的作用力可以模擬這種重力作用，以保證宇航員在航天器內(nèi)也能如履平地。

下決心攻克難關(guān)

超導(dǎo)體分為常規(guī)超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體，其中常規(guī)超導(dǎo)體中電子-聲子相互作用較弱。電子-聲子相互作用是指電子與晶格振動(dòng)之間的相互作用。高溫超導(dǎo)體是超導(dǎo)物質(zhì)中的一種族類，具有一般的結(jié)構(gòu)特征以及相對(duì)上適度間隔的銅氧化物平面，主要包括銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體。迪亞斯團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)用的超導(dǎo)材料為含有碳、氫和硫3種元素的化合物，仍屬于常規(guī)超導(dǎo)體。

超導(dǎo)態(tài)物質(zhì)之所以具有完全的導(dǎo)電性，在于低溫下那些自旋、動(dòng)量都相反的電子可以兩兩結(jié)合成對(duì)（庫珀對(duì)），從而在晶格中的運(yùn)動(dòng)無損耗?！皫扃陮?duì)”是美國物理學(xué)家利昂·庫珀于1956年首次提出的，描述在低溫下一對(duì)電子以某一方式束縛在一起的理論。在低溫超導(dǎo)體中，電子并不是單個(gè)地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而是以弱耦合形式形成配對(duì)，一般稱之為“庫珀對(duì)”。形成庫珀對(duì)的2個(gè)電子，其中一個(gè)自旋向上，另一個(gè)自旋向下。同性相斥的電子怎么能結(jié)合成對(duì)呢？這是由于電子間不是直接相互作用，而是通過晶格振動(dòng)傳遞相互作用的。帶負(fù)電的電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)附近帶正電的晶格粒子產(chǎn)生吸引作用。而這些被吸引的很多帶正電的晶格粒子會(huì)異性相吸，將其他帶負(fù)電的電子拉過去。

要使電子更容易形成庫珀對(duì)，當(dāng)然是靠電子吸引來的晶格粒子，而這種電子非氫莫屬。氫排在元素周期表的第一位，是最輕的粒子。固體氫的熔點(diǎn)為-259°C，在高壓下會(huì)由絕緣態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài)。由于氫原子很輕，因此金屬氫形成庫珀對(duì)的溫度（即超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）也應(yīng)該很高，更可能接近室溫。但與此同時(shí)，它所需的高壓也非常高，現(xiàn)有的設(shè)備難以滿足。而一些含氫的化合物，則可以在目前技術(shù)水平達(dá)到的高壓下，在室溫下形成超導(dǎo)體。

在發(fā)現(xiàn)所制造材料的電阻在15°C條件下變成0時(shí)，迪亞斯研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的另外幾項(xiàng)測(cè)試以證實(shí)它真的具有超導(dǎo)性。當(dāng)前的問題是，知道這種超導(dǎo)材料由碳、硫和氫構(gòu)成，但不知道這些元素是如何結(jié)合在一起的。就這類研究而言，在不了解結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)并不鮮見?，F(xiàn)在還需要進(jìn)行更多的理論研究，用各種化合物模型來匹配這種材料，從而弄清楚它到底是什么。研究人員還表示，這種化合物含有3種元素，不像其他超導(dǎo)體往往只含有一兩種。對(duì)這種元素組合做進(jìn)一步的“成分調(diào)整”，可能是在較低壓力和更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵。

對(duì)此，美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的布賴恩·梅普爾評(píng)價(jià)道：“這項(xiàng)研究啟發(fā)了人們思考常規(guī)超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體的關(guān)系、超導(dǎo)電子配對(duì)的機(jī)制、未來尋找新材料的方向、應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的新領(lǐng)域等，描繪了人類更加美好的未來。”但也有研究者認(rèn)為，迪亞斯的實(shí)驗(yàn)條件十分極端，這意味著距離實(shí)際應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)。目前，迪亞斯等人創(chuàng)建了一家名為“非凡材料”的公司，希望能找到一種在日常壓力環(huán)境下可以大規(guī)模生產(chǎn)的室溫超導(dǎo)材料。

用銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上。而用超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，可以使電力幾乎無損耗地輸送給用戶。