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发布日期:2022-06-15 04:47    点击次数:121

撰文 | 小溪

230多年前一个出自天才大脑的设想引出了某项技术的不断发展,如今这项技术已经深深影响了整个世界。这期间究竟发生了什么?跌宕起伏的故事共分为五个篇幅介绍,这里是第四篇。

【系列文章】

1789年,一个设想出自法国化学家拉瓦锡天才的大脑:“假如地球被送进某个极为寒冷

1789年,一个设想出自法国化学家拉瓦锡天才的大脑:“假如地球被送进某个极为寒冷的区域…”。这个设想激励着科学界不断探索实现气体液化的各种方法,至1908年7月,荷兰的昂内斯成功完成了世界上液化难度最大的氦气液化,世界上所有的气体都可被液化了,拉瓦锡的设想终于成为了现实。

昂内斯于1911年发现了神奇的超导电性,但直至1957年,美国的巴丁、库珀和施里弗创立的BCS理论才从微观上较完美地解释了超导现象。

超导电性所需的液氦低温条件成本非常高,这使它的应用受到很大制约。科学界努力寻找着具有更高临界温度的超导材料,有个“麦克米兰极限”让相关的研究陷入了困境。谁也没料到,20世纪80年代突然掀起了一个研究热潮,由此产生了一场旷世罕见的激烈竞争,中国科学家克服重重困难做出了重要贡献。

高潮之后相关研究再次陷入低谷,直到一个意外的发现引发了新的热潮,这次却将中国物理学家推到了最前沿!

沉寂后的爆发

1994年,美国的朱经武团队创下了当时世界上的最高记录:高压下汞钡钙铜氧体系的超导临界温度达164 K(常压下为135 K)。此后,这个记录竟然许久都未能被突破,科学界对高温超导材料的探索又一次陷入低谷。之后的十多年中,高温超导体研究基本停留在铜基化合物领域,铁基化合物由于其具有的磁性因素而被大部分研究者忽略。直至2008年,日本科学家一项意外的发现引发了高温超导体研究的新热潮。

日本26K

日本东京工业大学的细野秀雄(Hideo Hosono)团队2006-2007年间在研究透明导电氧化物材料的过程中意外发现镧铁磷氧(LaFePO)体系材料具有超导电性,超导临界温度为3 K左右。因为3 K的超导临界温度并不高,这个消息当时没引起广泛的关注。

细野秀雄团队意识到镧铁砷氧(LaFeAsO)化合物中同样可能存在超导电性,这种化合物由不导电的氧化镧层和导电的砷铁层交错相叠而成,为了更多地移除其中的氧,他们尝试将其中一部分氧离子置换成氟(F)离子,设法用调节氟离子浓度的方法获得了超导临界温度26 K的新超导体。

2008年2月18日,日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布新闻公报,宣布细野秀雄团队发现了新型高温超导材料——氟掺杂镧氧铁砷化合物在临界温度26 K时具有超导特性(1月9日向《美国化学会志(JACS)》提交了论文“Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05-0.12) with Tc =26 K”,2月23日正式发表)。

细野秀雄(Hideo Hosono) (图片来自网络)

细野秀雄等2008年1月提交的论文(图片来自网络)

中国43K

这个时期的中国研究团队与1986年时的情况已截然不同了。基于这些年来国家对实验室设备建设、优秀人才储备的重视与稳定支持,加之团队科研经验的积累及实验技术的提高,研究实力大大提升。当时,国内各单位有多个研究团队在进行高温超导体的研究,有的研究团队2007年已在镧氧铁砷非掺杂单晶体的制备方面获得了进展。

2008年2月18日传出日本团队获得超导临界温度26 K镧氧铁砷化合物的消息后,因铁基化合物曾被认为是高温超导体的禁区(其具有磁性因素),不少国家的研究团队还处于观看、迟疑状态,中国研究团队却以敏锐的洞察力意识到类似结构的铁砷化合物中很可能存在系列高温超导体,迅速开展了富有自己特色的研究。

2008年3月25日、26日,中科大陈仙辉(Xian-Hui Chen)团队与物理所王楠林(Nan-Ling Wang)团队分别独立在氟掺杂钐氧铁砷化合物(SmOFeAs)和铈氧铁砷化合物(CeOFeAs)中观测到43 K和41 K的超导转变温度,突破了“麦克米兰极限”,率先证明了铁基超导体是非常规的高温超导体。

陈仙辉团队向《Nature》提交了论文“Superconductivity at 43 K in Samarium-arsenide Oxides SmFeAsO1-xFx”,王楠林等向《Physical review letters》提交了论文“Superconductivity at 41 K and its Competition with Spin-Density-Wave Instability in Layered CeO 1 – x F x FeAs”。

陈仙辉、王楠林(图片来自网络)

陈仙辉等向《Nature》提交的论文(图片来自网络)

王楠林等向《Physical review letters》提交的论文(图片来自网络)

中国55K

紧接着,中国团队率先发现了超导临界温度突破50 K的一系列铁基化合物超导体。物理所赵忠贤团队2008年3月28日发现氟掺杂镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52 K,创造了新的记录。他们立即向《Materials Research Innovations》提交了题为“Superconductivity at 52 K in iron2based F2doped layered quaternary compound PrO1 - x Fx FeAs”的论文,向《Europhysics Letters》提交了题为“Superconductivity in iron-based F-doped layered quaternary compound Nd[O1-xFx]FeAs”的论文。

4月13日,赵忠贤团队又有新发现:氟掺杂钐氧铁砷化合物在加压条件下,超导临界温度可进一步提升至55 K,即向《中国物理快报英文版》提交了题为“Superconductivity at 55 K in Iron-Based F-Doped Layered Quaternary Compound Sm[O1−xFx]FeAs”的论文。

物理所闻海虎团队合成了世界上首个空穴型为主的铁基超导体——锶掺杂镧氧铁砷化合物。国内团队类似的高水平实验结果还有不少…。

赵忠贤等向《Materials Research Innovations》提交的论文(图片来自网络)

赵忠贤等向《Europhysics Letters》提交的论文(图片来自网络)

赵忠贤等向《中国物理快报英文版》提交的论文(图片来自网络)

沉寂20多年之后,寻找高温超导体材料的第二个热潮的引点是日本学者发现了超导临界温度26 K的铁基超导样品。在多国学者还持怀疑态度之时,中国研究团队的反应令全世界惊讶。如同火山爆发一般,他们在极短时间内连续获得一系列超导临界温度突破麦克米兰极限的高质量铁基化合物,超导临界温度的记录不断更新,新一类高温超导家族(铁基高温超导体)就此诞生。

中国-最前沿

2008年4月25日的《Science》以“新超导体将中国物理学家推到最前沿(New superconductors propel Chinese physicists to forefront)”为题报道了中国研究团队在新一轮铁基超导体研究中有重要影响的领先性工作。《Physics Today》等重要期刊也对中国研究团队铁基超导体研究的进展进行了详细评述。“铁基高温超导研究”被国际上多家媒体评为2008年世界十大科学进展之一。

2008年4月《Science》刊登的评述文章(图片来自网络)

2008年5月《Physics Today》对铁基超导体研究的追踪报道(图片来自网络)

铁基高温超导体具有常温下电阻小、临界电流大、成本低的特点,对超导技术的应用前景十分有利,中国学者取得的突破性进展意义重大。在这第二次热潮中,中国学者作为弄潮强手,带动了国内外多个研究团队跟进。中国研究团队的多篇论文陆续在世界重要期刊上发表,相关成果得到了国际科学界的高度评价并被多个国际知名期刊作为亮点跟踪报道。

(注:据世界权威的科技文献检索系统“SCI(Science Citation Index)”统计,至2013年1月4日,中国学者关于铁基超导体的8篇代表性论文SCI他引3801次,20篇主要论文SCI他引5145次。)

新思路

寻找高温超导体材料的第二次热潮使国际上的高温超导研究激发出了新的活力,高温超导的微观机理的奥秘逐渐被揭开,研究的空间被大大拓展,科学界甚至乐观地设想能尽快地实现室温超导并使其能有广泛的应用。

美国-预言

有人提出:氢化物是否能成为实现室温的超导材料呢?最早提出这个思路的是美国康奈尔大学的尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft),他基于BSC理论分析计算后预言:在约500 Gpa(吉帕)的高压下固体氢可能成为室温超导体,超导临界温度可达290 K,他的论文“Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?”刊登在1968年12月23日的《Physical Review Letters》上。因所需的高压条件一般情况下较难实现,一些研究团队设想用富氢材料代替固体氢,从而降低所需的压力条件。

尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)(图片来自网络)

阿什克罗夫特1968年在《Physical Review Letters》发表的论文(图片来自网络)

2004年,阿什克罗夫特经30多年研究后提出:一些富含氢的化合物,如甲烷、甲硅烷、氨气等可以在较低的压力条件下成为高临界温度的超导体,他的论文“Hydrogen Dominant Metallic Alloys: High Temperature Superconductors?”发表在2004年5月7日的《Physical Review Letters》上。阿什克罗夫特的预言一直未能得到实验验证。

阿什克罗夫特2004年在《Physical Review Letters》发表的论文(图片来自网络)

中国-预言

2014年,中国有两个研究团队通过基于BSC理论的计算分析,在富含氢化合物的超导临界温度方面作出了新的预言,他们的研究结果迅速得到国际高温超导界的关注。

吉林大学马琰铭团队预言在160 Gpa(吉帕)高压条件下,硫化氢(H2S)可变为超导体,超导临界温度为80 K,论文“The metallization and superconductivity of dense hydrogen sulfide”刊登在2014年5月7日的《Journal of Chemical Physics》上。

吉林大学崔田团队预言:在200 GPa(吉帕)高压条件下,硫化氢(H2S)与氢(H2)复合成的H3S结构材料可变为超导体,超导临界温度在191 K至204 K之间,论文“Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity”发表在2014年11月10日的《Scientific Reports》上。

马琰铭、崔田(图片来自网络)

马琰铭等2014年5月在《Journal of Chemical Physics》发表的论文(图片来自网络)

崔田等在2014年11月在《Scientific Reports》发表的论文(图片来自网络)

德国203K

理论上的预言对实验研究起到了指导与鼓舞的作用。2014年底,德国马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷梅茨(Mikhail Eremets)团队通过实验证实了崔田、马琰铭等人的预言,在高压条件下获得了超导临界温度190 K的硫化氢结构材料。硫化氢属传统超导体,一般认为硫化氢不可能在更高温度下发挥其超导性,埃雷梅茨获得的实验结果具有重要意义。

2015年5月,埃雷梅茨又获新的突破,在170 Gpa(吉帕)高压下,将硫化氢结构材料的超导临界温度提高到了203 K,再次创造了室温超导的新记录。他们的论文“Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system”发表在2015年8月17日的《Nature》上。这个实验结果需要相当高的高压条件,实用价值虽然不大但振奋人心,高压条件下的室温超导(即273 K)很有可能在不久的将来实现。

米哈伊尔·埃雷梅茨(Mikhail Eremets)(图片来自网络)

埃雷梅茨等2015年8月在《Nature》发表的论文(图片来自网络)

如何解释埃雷梅茨团队实验上的突破引起了相关的理论讨论热潮,多个研究团队通过理论分析以及计算来预测是否还有其他材料能在高温下以同样的方式产生超导性,其中也包括埃雷梅茨团队正在研究的氢化镧。

美国-预言

2017年,美国华盛顿卡内基的一个合作研究团队从结构分析作出预言:氢化镧(LaH10)在高压条件下可能成为高超导临界温度超导体,他们的论文“Potential high-Tc superconducting lanthanum and yttrium hydrides at high pressure”2017年3月20日向《美国科学院院报(Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.)》提交,6月19日正式发表。

卡内基团队2017年3月向《美国科学院院报》提交的论文(图片来自网络)

中国-预言

2017年,中国马琰铭团队通过计算作出新的理论预言:稀土元素的氢化物在高压下可变成超导体,临界温度可比硫化氢更高。他们的论文“Hydrogen Clathrate Structures in Rare Earth Hydrides at High Pressures: Possible Route to Room-Temperature Superconductivity”5月11日向《Physical Review Letters》提交,9月8日正式发表。

马琰铭等2017年5月向《Physical Review Letters》提交的论文(图片来自网络)

中国-新方向

2017年,在美国麻省理工学院(MIT)就读博士的中国学生曹原在实验中发现:两层石墨烯(二维碳纳米材料)叠在一起并稍偏移1.1度角时会产生超导效应(被称为魔角),超导临界温度为1.7 K。这是世界上首次发现让石墨烯实现超导的方法,经多次反复实验,曹原确立了石墨烯传导的全方位理论,为超导物理及凝聚态物理研究开启了一个新方向。他与导师在2018年5月6日的《Nature》上发表两篇文章(曹原均为第一作者):“Tunable correlated states and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene”、“Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene”。曹原为此登上2018年《Nature》年度十大科学家之首。

曹原(图片来自网络)

曹原等在2018年5月6日《Nature》上发表的两篇论文(图片来自网络)

美国-高压下的室温超导

2020年,美国罗彻斯特大学的兰加·迪亚斯(Ranga Dias)团队从斯坦福大学威廉·利特尔(William Little)的有机超导理论中受到了启发。利特尔1964年时曾通过他自己创立的模型(Little模型)计算得出:有机化合物分子也有可能具有超导电性,且超导临界温度有可能高于室温(他的论文“Possibility of Synthesizing an Organic Superconductor”1964年6月15日发表在《Physical Review》)。

威廉·利特尔(William Little)(图片来自网络)

利特尔1964年6月在《Physical Review》发表的论文(图片来自网络)

2020年7月,迪亚斯团队取得了惊人进展。他们将富氢材料与有机超导体相结合,用碳元素(自然界中的普通元素)代替三元化合物中的金属元素,在200多Gpa(吉帕)的高压条件下用含氢三元化合物首次实现了室温超导。他们使用的是碳硫氢(C-S-H)三元化合物(与马琰铭团队提出的锂镁氢(Li-Mg-H)不同),超导临界温度为287.7 K(摄氏15度),这是人类历史上首个跨过273 K节点实现室温下的超导体,具有里程碑意义。他们的论文“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”发表在2020年10月14日的《Nature》上。

兰加·迪亚斯(Ranga Dias)(图片来自网络)

迪亚斯等2020年10月在《Nature》发表的论文(图片来自网络)

结语

20世纪60年代起,科学界一直在努力寻找着具有更高临界温度、更适于实际应用的超导材料。几十年中有低谷也有高潮,中国科学家不负众望作出了重大贡献。在上百万倍大气压力条件下实现的室温超导目前还难说能有什么实际应用,因为即使从基础研究的角度看,全世界目前也仅有极少数实验室能达到这样的压力条件。期待科学界能尽早获得在常压室温下实现超导的材料,真正造福全人类。

各类超导体超导临界温度与发现年代(图片来自网络)

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参考资料:

1、The History of Superconductors

2、50 years of high field superconductivity and the next 50 years

https://fs.magnet.fsu.edu/~lee/superconductor-history_files/ASC04/

3、Theory-orientated discovery of high-temperature superconductors in superhydrides stabilized under high pressure

https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0033232

4、High Temperature Superconductors

https://www.intechopen.com/chapters/75641

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本期问题:就“室温超导会给世界带来哪些变化?”举例子或发表想法

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编辑:April

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