如何科学吃瓜“室温超导”?

如何科学吃瓜“室温超导”?这就大大限制了这些“超导”材料的应用，毕竟零下一百多度的环境可不是随便就能提供的。因此就目前的研究来说，“超导”常有，而“常压室温超导”不常有。那么我们该如何科学吃瓜这次的“室温超导”呢？什么是超导？1911年，荷兰莱顿大学昂内斯(H.KamerlinghOnnes)在实验中得到一个意外的发现，当汞在温度降到4.2K（零下268.95℃）时，其电阻突然降到测量不出的程度。之后他又多次实验，最终发现有许多金属和合金都具有类似的特性。于是昂内斯就将这一神奇的现象命名为“超导”（超级导体）。因此对于大多数人们来说，提起“超导”第一时间想到的往往就是其“零电阻性”。也就是在一定温度下电阻为零，或者在实际测试中电阻足够小（小于10-25欧姆），就可以被认为是“超导”。而超导的另一个基本性质就是完全抗磁性（也就是迈斯纳效应），由于超导体在靠近磁场时会在其表面感应出超导电流，这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场，两磁场相互抵消，从而使其内部总磁场为零。因此对于一种疑似超导体的材料一般会测试电阻（或者电阻率）和磁化率，有些还会测试比热等数据。追寻更高温度的超导其实很多材料只要温度降到足够低，都会出现超导现象。正如同最开始发现的汞在零下268.95℃时出现了超导现象。但如果走出实验室环境，要大规模应用一种“超导材料”，把温度降到零下二百多度显然是件很困难的事。因此科学家们一直在追寻更高临界温度（开始出现超导状态的温度）的超导材料。这里首先需要说明一点，一般超导相关测试中使用的温度单位是热力学温度单位开尔文，开尔文温度常用符号K表示，其单位为开。这与我们日常生活中使用的温度单位摄氏度不同。开尔文是以绝对零度作为计算起点，也就是说0K=-273.15℃。而一般室温是指300K,也就是26.85℃。在追寻更高临界温度超导材料的道路上，有这么几道坎：40K：打这往上基本就可以算是“高温超导体”了，这个高温是相对于一般材料的超导临界温度而言的。（40K这个数据来自BCS理论中的麦克米兰极限）77K：如果有一种超导体材料临界温度达到77K以上，那么它就可以“一定程度”上应用到我们日常的生产、生活中了。因为77K是液氮的沸点，那么这些超导体材料就可以在液氮的冷却下保持超导状态。例如南方电网在我国首条三相同轴超导电缆示范工程就使用了液氮制冷技术。超导电缆可以让相关供电系统的体积更小、传输更多的能量、传输过程中的能量损耗也大大降低。室温（300K左右）：室温环境下的超导往往是超导材料研究的理想目标。因为超导材料的临界温度处在室温时，我们就不需要额外的制冷系统维持它的超导状态，因此可以将其应用到我们日常生活中的方方面面，比如数码产品、新能源汽车等领域。不过遗憾的是，目前很多“室温超导材料”需要加压才能保持超导状态，例如LaH₁₀，在170GPa（1.7亿倍大气压）下临界温度可以达到250K（零下23.15℃）。不过这就带来了另一个问题，就是加压并不一定比液氮制冷便宜。因此这类“室温超导体”往往也不太容易大氛围应用。但如果真的发现了既不需要加压也不需要降温的“常压室温超导材料”，无疑能极大程度扩大超导材料的应用范围。那么这回的常压室温超导是真的吗？在“超导”这个领域，因为各种原因闹出来的乌龙其实不少。因此“实验结果可复现”是一个非常重要的检验标准。也就是说如果只是韩国这个团队测试出来这个实验结果，不能说明什么问题。但如果其它科研团队按照论文中的方法制备出LK-99，并且也测试出相同的结果。那么论文中结论的准确性就非常高了。华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，成功首次验证合成了可以磁悬浮的LK-99晶体，该晶体悬浮的角度比SukbaeLee等人获得的样品磁悬浮角度更大。从实验现象上看，有些人觉得LK-99只是表现出“抗磁性”，有些人觉得已经验证了迈斯纳效应（完全抗磁）。不过严格来说这只能证明了LK-99“保底”是个抗磁性材料，是不是超导还有待进一步验证。中国科学院物理研究所、北京国家凝聚态物理实验室发表了关于“LK-99”的论文。中科院物理所的论文复现了370K附近电阻跳变的现象，但没有观察到零电阻。并且提出这种类似“超导”的现象可能是硫化亚铜导致的。结语1、目前LK-99是否属于“常压室温超导材料”尚待更多的实验数据确认。2、中科院物理所团队发表的论文整体上倾向于认为韩国团队的LK-99不是“超导”，并且给出了可信的理由。（硫化亚铜导致的结果）3、出现“半悬浮现象”的并不一定是超导，也有可能只是“抗磁性”。4、出现“电阻跳变”的并不一定是超导。TechWeb文/新喀鸦...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376395.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376395.htm

Nature发文：室温超导体将如何改变科学？

Nature发文：室温超导体将如何改变科学？答案取决于应用的领域，以及假设的材料是否还具有其他关键品质。但至少在一些科学领域中，尤其是那些使用强磁场的领域，更好的超导体可能会产生巨大的影响。超导体是一种在一定温度下能够无电阻传输电流的材料，因此不会产生废热。但所有已确认的超导体都只在低温或极端压力条件下或两者兼而有之的情况下才表现出这种特性。超导相变时热容（c(v)，蓝色）和电阻率（ρ，绿色）的行为这种材料在实验室中已随处可见，因为研究人员能够使用一系列技术来降低它们的温度，尽管这会增加实验的成本和复杂性。但在日常应用中，超导体的低温要求是一道难以越过的门槛。一个极端的例子是大型强子对撞机（LargeHadronCollider，LHC），它是欧洲核子研究中心（CERN）的加速器。为了让质子在27公里的圆圈内运动，大型强子对撞机利用温度仅为1.9开尔文（-271.25ºC）的超导线圈产生强磁场。要做到这一点，首先需要一个包含96吨液氦的低温系统。这是世界上同类系统中规模最大的。欧洲核子研究中心磁体研究员、核工程师LucaBottura曾表示，“如果我们不需要极端温度，工程设计就会大大简化。”因此，能在室温下或接近室温工作的超导体将迅速彻底改变许多科学领域。但科学还没那么快到达这一目标。量子问题以量子计算机为例，这项新兴技术有望解决经典计算机无法完成的某些任务。而构建量子计算机的主要方法之一是将信息存储在超导材料环中。量子计算机这些超导材料被冷却到接近绝对零度（-273.15ºC），然后被装在昂贵的、类似于俄罗斯套娃的设备中，这种设备被称为稀释冰箱。稀释冰箱在基于超导体的量子计算机中，温度升高哪怕是零点几度，性能也会迅速下降，其原因与超导性无关。超导量子计算的共同发明人中村泰信（YasunobuNakamura）认为，量子计算对任何类型的噪声都极为敏感，而热振动则是一个主要敌人，它会产生虚假的“准粒子（quasiparticles）”。他提到，在100-150毫开尔文左右，就可以看到热激发准粒子的对抗效应。在其他情况下，实验本身可能不需要极度低温，但超导体仍需要保持比其转变为超导时（即Tc）还要低得多的温度。超导体的物理特性各不相同。但在许多应用中，尤其是在高磁场磁体中，有两个特性至关重要：临界电流和临界磁场。这是因为超导电性不但会在温度升高时丧失，而且还会在材料被推动承载超过一定量的电流或暴露在足够高的磁场中时丧失。麻省理工学院的低温系统中包裹着具有高转变温度的超导体.Credit：DavidL.Ryan/TheBostonGlobeviaGetty最重要的是，临界磁场和临界电流都与温度有关：温度越低，材料所能承受的电流和磁场就越大。因此，虽然超导体的Tc很高，但这并不意味着它可以在低于Tc的任何温度下使用。在许多应用中，超导体的性能会随着系统温度的降低而提高。幸运的是，目前发现的最好的超导体，包括一类叫做铜氧化物（或铜酸盐）超导体的超导体，只要保持足够低的温度，也能承受非常高的磁场。在现场四年前，位于佛罗里达州塔拉哈西的美国国家高磁场实验室（NationalHighMagneticFieldLaboratory，NHMFL）曾使用一种铜氧化物来获得稳定（非脉冲）磁场强度的记录。NHMFL的超导线圈能产生45.5特斯拉的磁场，但前提是它们必须保持在液氦中，即低于4.2开尔文。NHMFL首席科学家、物理学家LauraGreene说：“我们使用高-Tc超导体不是因为它们的Tc值高，而是因为它们的临界磁场高。”美国另一个国家实验室，位于新泽西州的普林斯顿等离子体物理实验室（PrincetonPlasmaPhysicsLaboratory，PPPL）的机械和电气工程师YuhuZhai说：“如果你想要一个高磁场磁体，那就在尽可能低的温度下运行它，因为那是你获得超导性真正力量的地方。”欧洲核子研究中心正在探索未来粒子对撞机的选择，该对撞机最终以比大型强子对撞机高七倍的能量粉碎质子，物理学家们希望能在这个范围内发现新的基本粒子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机与超级质子同步加速器的地图要达到这些更高的能量，粒子必须使用更高的场或沿着更长的加速器环路进行加速，或者两者兼而有之。为了建造这样一台机器，物理学家梦想在大型强子对撞机旁边挖掘一条长达100公里的环形隧道。但即使有这么大的环形隧道，像大型强子对撞机那样的超导磁体，即带有铌钛线圈的8特斯拉怪兽也无法产生所需的磁场，估计至少需要16到18特斯拉。对此，Bottura认为，“在这一点上，我们显然必须转向其他材料。”目前的高Tc超导体可以实现这一目标，但可能需要将其保持在液氦温度下。中国提出的类似加速器：即环形电子-正电子对撞机，也将使用高Tc超导磁体。北京高能物理研究所所长王贻芳表示，他们考虑高温超导材料已经有一段时间了，主要是铜酸盐和铁基材料。临界电流然而，铜氧化物的超导体也有其他缺点：它们是脆性的陶瓷材料，生产成本高昂，也很难将其制造为电缆。此外，王贻芳也提到，这种材料的临界电流也太低。而另一类铁基超导体原则上性能更好，成本也只有氧化铜的一半。Bottura和其他人正在研究一种全新加速器的可行性。通过用μ介子（类似于电子但质量大207倍的粒子）取代质子，对撞机可以研究与100公里长的质子-质子对撞机相同类型的物理学。但研究对撞机的环要小得多，甚至可以放入现有的大型强子对撞机隧道中，让μ介子绕一圈并不涉及强度特别高的磁场。但问题是产生具有适当特性的μ介子束，可能需要高达40特斯拉的磁铁。在这种强度下，问题不再是超导体，而是如何保持线圈的位置，因为电磁线圈内的电流往往会将磁铁推开。而在40特斯拉的条件下，即使是最坚固的钢材也无法承受机械应力。相反，磁体可能需要使用碳纤维等更坚固的材料。(NHMFL磁体对强度的要求没有那么严格，因为它需要在只有几厘米宽的空间内产生高磁场）。因此，在质子对撞机和μ介子对撞机中，超导体将会发挥巨大作用，但也可能出现其他工程挑战。融合之旅然而，在另一类旨在利用核聚变能的机器中，结构强度已经成为了严重的制约因素。长期以来，一种既定的聚变方法是使用排列成圆环形状，也被称为托卡马克（tokamak）的磁体来限制等离子体，将等离子体加热到数百万度，将氢的各种同位素碰撞在一起。世界上最大的实验性托卡马克名为ITER，正在法国南部建设，它将使用大型液氦来冷却磁体并产生接近12特斯拉的磁场。但根据Zhai的说法，工业和公共资助的实验室都在努力设计基于高Tc超导体的托卡马克磁体。原因有很多，如更高的磁场可能会大幅提高聚变反应堆燃烧燃料的速率，从而在原则上提高可产生的能量，但从聚变中提取能量的许多关键步骤尚未得到证明。工业努力增加高Tc磁性材料产量的一个积极结果是让它们的成本降低了，但它们仍比铌-钛材料昂贵得多。此外，Zhai还表示，托卡马克最终应该放弃液氦冷却。一方面是因为冷却系统复杂难建，另一方面是氦作为稀缺资源，难以建造数百个使用液氦的ITER大小的反应堆。Greene认为，寻找更好的超导材料是一项高风险的任务，迄今为止成功的案例寥寥无几。尽管如此，她还是说到：“这是一项艰苦的工作，也是一项令人兴奋的、正在改变世界的工作。”参考资料：https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388387.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388387.htm

“室温超导” 丑闻是如何发生的？《自然》杂志发表调查报告

“室温超导”丑闻是如何发生的？《自然》杂志发表调查报告2023年曾被寄予希望的人们称为“室温超导元年”。去年3月，一位青年物理学家兰加・迪亚斯在《自然》杂志上发表论文，声称发现了室温超导体，由此拉开了“室温超导热”的序幕。当年7月，韩国团队又声称在另一种材料中发现了室温超导。然而，这两项研究最终都被证实为乌龙事件。近日，韩国团队又宣称发现了另一种新的室温超导体。与此同时，《自然》杂志新闻团队公布了对兰加・迪亚斯的调查结果，揭露了这场物理实验丑闻的内幕故事。《自然》杂志的新闻团队采访了几名迪亚斯的前任研究生，他们也是迪亚斯超导体研究的共同作者。他们表示，团队合成了碳、硫和氢（CSH）的样品，但并没有观察到被称为“迈斯纳效应”的超导性关键标志。然而，学生们却在2020年7月21日收到了迪亚斯发来的关于在样品中发现室温超导性的论文手稿。仅仅过了3小时后，迪亚斯就将手稿提交给了《自然》杂志，学生们几乎没有时间审阅。（新京报）