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革命老将:超导材料

乱花迷眼 2019-11-08

以下文章来源于老和山下的小学僧 ,作者老和山下的小学僧

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人类技术闹过几次革命。

第一次:蒸汽机,一台机器。

第二次:电气技术,一个领域。

第三次:计算机、航天、生物、纳米…

为什么第三次革命闹得这么没有章法?因为任何单一枝干都很难让枝繁叶茂的科技树主干动摇分毫,无奈大家只能组团闹革命了。所以第三次工业革命没有明显的标志,甚至没有明确定义。没办法,组团闹革命,革命功绩不好分嘛!

那么接下来的革命路线该怎么走呢?第四次工业革命,是继续组团模式,把什么人工智能、3D打印、新能源,等等,一锅烩了?还是会出现孤胆英雄,单凭一项战略级技术,撼动整棵科技大树?

吃瓜群众自然是喜欢英雄的,虽然眼下没什么指望,但目前台面上的技术,有哪些将来可能担此重任呢?除了前文说过的可控聚变,这回再说一位百年如一日奔波在革命道路上的老前辈

革命种子

超导,最早被认为可能引发工业革命的技术,结果革到今天,依然尚需努力。其中最接近革命成功的时刻是1986年和1987年,有俩哥们发现氧化物陶瓷也能超导,临界温度蹭蹭涨,一下炸了锅!

第二年火急火燎送来一座诺贝尔奖,创下了获奖时间距成果发表时间最短的先例(引力波得奖也是这个速度,咱们屠呦呦的青蒿素等了43年)。

当时中国从事超导的人数从几百暴增到几万,全世界呈现出一种跑步进入共产主义的夸张氛围。仅仅1987年上半年,人民日报报道超导数十次,标题一次比一次惊人!

我发现迄今世界转变温度最高超导体

超导材料研究突破性进展意义大

我超导材料研究获重大进展

我国超导材料研究继续居世界前列

超导材料正在进入应用阶段

说实在的,改革开放之后,人民日报还是很严谨的媒体,在技术方面轻易不吹牛,而超导却在半年之内刷版无数,头版头条不在话下!试问,还有后来者吗!

不光中国,全世界都以为超导革命成功在望,一片欣欣向荣……


纠正个容易混淆的概念,这里说的是技术革命,不是科学革命。呃,准确点说是工业技术,不包括管理技术、画画技术、演唱技术……用英文可能更明了:technology和science,科学革命以量子力学相对论为代表。

那么问题来了,超导凭什么能成为革命种子?这事还得从电说起。

电,妙不可言!

当年法拉第发现电磁感应现象(这是科学),进而折腾出发电机(这是技术),被人嘲笑:这种只会在导体里流动的东西有什么用?如今,电是现代科技最重要的载体,所以能革了电的命,也就等于革了技术的命。


先明确一下超导的革命方向。

对于金属导体来说,电流的本质是电子的移动,温度的本质是原子的振动。记牢这点。

自然而然,电子在导体中移动时会与振动的原子不停发生碰撞,跌跌撞撞就很影响电子的移动速度,这就是电阻。

原子被电子撞啊撞,振动就会越来越快,宏观表现为温度上升,这是导体发热的原理。

原子振动加快,与电子的碰撞就越多,所以导体温度越高,通常电阻越大。这些都是中学课本上的内容。

思路来了,原子如果不振动的话,电子在移动时岂不是就没阻力了?

嗯,沿着这个思路往下走。气体的温度本质是分子的移动速度,固体的温度本质是原子的振动速度,如果原子不动,也就没有了温度的概念,这就是:绝对零度,0K。折算一下是-273.15℃,这是温度的起点,不存在-300℃的东西。这还是中学课本的内容。

但是想让原子完全不动几乎不可能,达到0K的难度和达到光速的难度是差不多的,这是当前,当前的,物理理论不可逾越的两条边界。

理清了电阻的本质和温度的本质,超导的革命方向就明确了,原子的振动减弱到什么程度,才能让电子无阻力地移动?换个等价的表述:温度低到多少才能实现超导?这个转变温度叫临界温度。如果谁能在室温下实现超导,那么革命就算成功了。

顺便说一下,电阻为零并不会产生无限大的电流,一则导体内的电子数量有限,二则电子的移动速度同样不能超过光速,而电流大小取决于单位时间内通过的电子数量。

革命成功

让我们来憧憬一下超导革命的美好场景。

一:省电的意义

说起超导,几乎所有人都会提现在远距离输电要损耗掉15%的电能,如果折腾超导只是为了省这点电,那也太没追求了!

国际政治博弈中有两大重点,第一:能源,第二:能源的运输,谁把这俩惹祸精解决了,世界至少比现在更和平70%。

从技术角度讲,能源最终都可以采用电的形式,只是考虑到成本问题,还在使用石油天然气。但是,电的远距离传输很麻烦,导线的电阻使得远距离输电要用高压交流输电技术,这玩意儿不但技术复杂,而且超过几千公里,传输也是相当吃力。

所以发电区域和用电区域的距离有一定限制,你不可能在北极建一个发电厂供全球使用。

外加历史政治经济这些七七八八的因素,全球的主要能源还是石油,所以,骆驼们估计还能热闹一阵子。

假设,我们有一套全球性的超导输电网,无论在地球上什么地方发电,只要接入到电网中,就能把电传输到其他任何地方,能想象一下对国际格局的影响吗?

那么还剩一个问题:电从哪里来?小盆友,可控聚变,了解一下?

二:升级到爆表

所有与电相关的设备,性能都可以刷到爆表!功率大增,能耗下降,结构简化,不发热。

随手举几个粒子:数码产品基本不会坏,待机时间还超长;电动机功率大到没谱,一辆电驴能飙到让法拉利怀疑人生;超导发电机,一个顶过去十个;所有的工业变速装置也可以歇菜了,变速箱、减速机成历史,设备大大简化……

量变累积到质变,就可以产生一些新的应用。比如超导储能,可以把电流储存在超导线圈里,相比电池电容有不少独到的优势,超导储能是当前比较热门的研究领域。

三:电、磁一家人

电和磁其实是一回事,有了电就等于有了磁。于是,与磁相关的技术也能刷新一圈,其中强磁场的应用最有意思。磁悬浮车满天飞,房子可以飘在空中,飞机可以装刹车挂倒挡,你也可以坐着魔毯去上学……

与电、磁相关的东西刷新了一圈,那也就等于全世界刷新了一圈。

总之,超导前途棒棒的!那么,问题又来了,我们离革命成功还有多少路?

尴尬的超导原理

现实世界不存在理想状态,这是大伙的普遍认知,比如摩擦力不可能为零。同理,电子在导体里跑,不可能一丁点阻力都没有,所以电阻总归还是存在的。

谁知,1911年有个家伙把汞冷却到4.2K时,无意中发现电阻消失了,没错,是无意中发现的!这下尴尬了,把物理学家一下扔到了理想世界,完全懵逼了!先给个诺贝尔奖稳一下心神,大家都是体面的人,赶紧找个说法!

绞尽脑汁40年,终于搞出个像模像样的理论:BCS理论。说个大概:按理说两个电子是不会结合在一起的,因为都带负电嘛。但是呢,电子在移动时,会吸引周边的正电荷,形成一个局部的高电荷区,这个区域再吸引自旋相反的电子,于是,新电子就与原电子结合成了一对。物理学家用只有他们才懂的公式算了算,发现这对电子结合的能量比低温原子振动的能量要高,所以原子振动很难拆散他俩。

电子结对之后有啥好处呢?振动的原子就好比地上一个个坑,单个电子滚过去磕磕绊绊就损耗了能量。成对的电子就好像一块平板,可以跨过坑洞,就这么一路无阻的跑过去了。这只是大概描述,别较真,BSC理论往严谨了说还是挺繁琐的,别耽误时间了。

这么牛逼的电子得取个名字,就叫“库珀电子对”吧!你看,这对电子一路狂飙,边上的原子硬是拦不下!实在太霸气了,诺贝尔奖赶紧给!

看起来是解释通了,超导的关键是电子对!电子成对,干活不累!

但是也很绝望,因为库珀电子对的结合力实在够呛,只要温度稍稍升到40K,立马就抗不住了。这意味着,超导的临界温度不可能突破40K。尼玛的,这还零下两百多度呐!这么牛逼的温度,也得取个名字,就叫麦克米兰极限温度。

就这样,超导一度就在40K以下温区浑浑噩噩混日子,最高纪录只有23K,时间来到了1986年。

1986年瑞士的美国IBM公司里的德国科学家柏诺兹和瑞士科学家缪勒,发现钡镧铜氧的金属氧化物陶瓷有超导电性,临界温度约为35K。要知道,金属氧化物陶瓷可是实打实的绝缘体,这玩意儿的超导原理绝对不是BSC理论能解释的,这说明打破40K魔咒不是梦啊!

来理解一下当时物理学家的心情。超导从1911年到1986年的75年时间内,实验上,临界温度从4K仅提高到了23K,理论上,被麦克米兰极限温度死死压住,不可谓不绝望。整整75年!

然而,仅仅1986年一年时间……

1986年1月,柏诺兹和缪勒发现35K的钡镧铜氧,接着日本东京大学做到了37K,12月份美国休斯顿大学刷到了40.2K,十天后中科院物理所宣布找到了48.6K的超导材料,次年2月份台湾科学家在美国直接飙到了98K,五天后,中科院也干到了100K以上,同年3月,日本再度把数据刷到了123K……啥也不说了,诺贝尔奖随便拿!

照这个速度,超导革命不是梦啊!能想象出当年这股风潮有多热了吧!也难怪咱们日报也加入了刷版行列。

实验数据在前面一路狂奔,理论却在后面追的好尴尬。不是说超过40K,那牛逼的电子就会散伙吗?这100K的绝缘体超导咋解释呢?

咱合计合计,超导必须要电子对,这条规则先别改。那就用“强关联”打个补丁吧,就是说,这俩电子还有一种神奇的强关联作用,不管多少温度,这俩电子都得老老实实形成库珀对!原理就这样吧,先对付一阵。

后来,这种叫某某铜氧的超导材料,越奔越乏力,一直奔到1993年,法国人发现了 135K的汞钡钙铜氧超导体,随后就奔进了死胡同。

没有理论支撑,终究是跑不了多远的。

英国剑桥大学的钇钡铜氧超导困住了17.6特斯拉的磁场,打破纪录


接下来咋办?捋一下思路:最早大伙只在金属导体里找超导,结果冒出个绝缘体超导,继续反其道而行!

铁磁材料,由于磁性会影响电子,所以大家都认为有磁性就没法有超导。还好,已发现的超导材料确实和铁磁没啥联系,理论还站得住脚。

然后……到了2006年……

2006年日本东京工业大学发现第一个以铁为超导主体的化合物LaFeOP……理论又是一阵手忙脚乱……继续打补丁,库珀电子对还是不能动,那就这么的:铁和其他元素形成铁基平面后,不再具有铁磁性。

2008年,中日两国科学家开始新一轮刷分狂潮,老和山有幸参与了刷榜,新纪录几乎以天为单位在刷新,眼看着又是一轮狂欢。

然而,铁基超导很快也奔进了死胡同!根据打了很多补丁的超导理论,铁基超导不可能奔到77K的液氮温区,实用性大打折扣。不过,估计这次没人会斩钉截铁下结论,提出某某极限温度了。


接下来就继续尝试各种材料、各种条件,听说有人把硫化氢放到150GPa高压下获得了203K的临界温度,也是迄今为止最高温度的超导。着实佩服啊,屁里面有一丁点硫化氢就那么臭不知道实验人员要戴几层口罩。

回过头说说1987年找到的钇钡铜氧,这是人类首个超过液氮温度的超导材料,什么概念呢?

液氮的价格和可乐差不了太多,把材料泡到液氮里就能超导,这意味着,超导至少能在部分领域开始应用,意义非常重大!

里外两层通液氮,中间夹层放超导

超导应用其实不算少,那些必须要用超级大磁场、超级大电流的设备,基本都是超导开路,其中基础科学实验应用最多。比如,可控聚变里用于约束等离子体的磁场就是超导线圈产生的;大型对撞机把粒子加速到接近光速;超导量子干涉仪,利用约瑟夫森效应可以探测很弱的磁场;红得发紫的量子计算机,最被看好的也是超导类型。还有一个鲜为人知的事,医院的核磁共振很多都是超导的,所以检查费贼贵。

液氮的温度是77K,-196℃,所以把77K以上的超导材料称为高温超导。与之对应的是低温超导,得泡液氦液氢,这玩意儿就不是可乐价了

用液氮的高温超导有一些应用,但限制太多,我们奢望的是常温超导,即在室温环境下实现超导。悲剧的是,对高温超导的理论连皮毛都算不上,常温超导就只能当牛皮吹了。


那可咋办啊,谁能指条明路?

各位小盆友发现没,在超导的革命史上,中国的身影不算少。恭喜了,又找到一个跻身第一梯队的领域!所以这条明路嘛,就帮清华大学的薛其坤老师做个广告。

薛其坤老师的思路很简单:制备二维超导,减少一个维度,复杂性可以大大下降,先摸清二维超导的本质,再慢慢折腾三维材料的超导理论。为了防止小盆友们天马行空的猜测,稍微来点专业术语:利用分子束原位制备(精确控制成分、结构),用STM等手段在各个温度区间测试其结构、电子态、输运性质等……

本僧妄言,目前来看这应该是最有前途的路径了,当然,难度依然非常大!这万一要是有所发现,别的不说,教科书肯定得重写了。

对不起,你出生得太晚了

燧木取火的年代,你可以不懂燃烧的化学反应就掌握生火技术,现在么,这么廉价的事情怕是难找了。高温超导连原理都还懵逼中,至于成熟应用,恐怕又得指望玄孙辈烧给我们了。

老和山下的小学僧


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