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以下是罗在中国科学院物理研究所的演讲记录:
我今天要讲的超导与超导空无关,与市场上的冰箱、腐竹无关,与军方的超级导弹无关。
各种导体
生活中有各种各样的电器,每个电器都有一个电阻。根据电阻,绝缘体、半导体和导体可以分开。
物理学家有一个非常简单的方法来区分它们,那就是看这个电阻是如何随温度变化的。
如果电阻随着温度的降低而降低,这种物质称为导体;如果电阻随着温度的降低而增加,这种物质被称为绝缘体。
当温度降至非常低的水平时,电阻会发生什么变化?在早期,物理学家无法解决这个问题。没有办法做实验,只能猜测。
著名物理学家开尔文说:当材料处于极低的温度时,电子就会冻结,直接的结果就是电阻上升;但物理学家马锡森预测,随着温度下降,电阻也会降低。
材料中有杂质,必然会产生一部分残余电阻,不受温度影响。所以在绝对零度时,阻力仍然存在。
物理学家杜瓦猜想,如果发现一个没有任何杂质和缺陷的导体,可能存在一种理想的材料,当它达到绝对零度时,其电阻将为零。
后来,荷兰物理学家安妮斯的实验证实了上述三种猜想都是错误的。事实上,有一种材料的电阻会随着温度的降低而降低。在一定温度下,电阻突然变成0。
有相关的理论可以解释超导性。这一理论被称为BCS理论,它以三位科学家命名,一位是巴丁,另一位是库珀,另一位是施里弗。BCS是他们名字的缩写。
在提出这一理论之前,我们熟悉的一些物理学家,如爱因斯坦、费曼、海森堡等人,都曾试图解决超导问题而失败。然而,这三位科学家成功了。
他们推测,从一个电子到两个电子,一个电子单独运行肯定会受到阻碍。为什么两个成对运行的电子不会受到阻碍?
超导二元合金
找到简单物质后,寻找元素化合物。例如超导温度最高的单质是金属铌,金属铌的Tc为9K。寻找铌化合物,如碳化铌和氮化铌。
氮化铌的Tc是16K,还不错。在合成了铌三烯和铌锗的一系列化合物后,科学家发现这种材料的超导温度可以达到23.5K,非常高。
麦克米兰红线:看不见的天花板
在寻找了各种化合物之后,理论家也做了一个计算,结果相当悲观:超导温度似乎有一个上限,就是40k。
这个数字相当于一个看不见的天花板,好像超导材料Tc永远不能超过40K。
马提亚斯:老司机的警告
实验物理学家也喜欢预测。例如,一位名叫布兰德·马提亚斯的物理学家认为,探索新的高温超导材料有六个条件:
晶体结构高度对称,电子态密度高。它不可能是有氧的、磁性的或绝缘体。不要相信理论家的废话。这六篇文章哪一篇是正确的?
来自IBM的绝望反击
J.乔治·贝德诺兹和亚历克斯·穆勒是来自国际商用机器公司的两位科学家。他们发现的超导材料是一种氧化物,其化学式为Ba、la、Cu、o
是准二维结构,载流子浓度低,氧化物,母体为绝缘体和磁性,说明前五项都是错的,可能只有第六项是对的。这种材料的超导温度可以达到35K,接近40K的红线。
这种材料于1986年12月被发现,并于1987年10月获得诺贝尔奖。他们为什么这么快就获得了诺贝尔奖?
多亏了中国人,是他们的帮助让他们这么快就获得了诺贝尔奖。
来自中国世界的上帝援助
他们主要是中国科学院物理研究所赵忠贤院士、休斯顿大学朱经武教授和台湾中央研究院院长吴茂坤。
他们发现了一种叫Ba-Y-Cu-O的物质,它和Ba-La-Cu-O只有一个元素之差,换了一个元素之后,这种物质的Tc奇迹般的变成了93 K。
这是什么概念?40K的红线不复存在,理论家的预言被推翻。93K意味着我们已经突破了液氮温区。
我们过去只使用液氦来实现超导,这非常昂贵。一升液氦要几百元,一升液氮只要1元。
铜基高温超导体
由于温度高、价格低,科学家们发现了一系列氧化铜高温超导材料。目前铜基高温超导体可以达到134K的超导温度,加压可以达到165K..
《高富帅》的烦恼
温度高的时候可以吗?虽然温度很高,但我们发现这种材料不适合应用,因为它是氧化铜,属于陶瓷材料,非常脆,接触会断裂。
为了保护这种材料,涂上多层膜等复杂的东西后几乎不能使用,所以这种材料“不容易使用”。
“印象主义”的疯狂
那么能不能解释一下为什么这种材料的超导温度这么高,然后找到Tc更高的超导材料呢?
这是HTS电子态的实验数据,和印象派画作一样让人摸不着头脑,难以理解。我们只能看有没有新的路可走。
“大雄哥”来救田了
2008年,科学家发现了一种非常重要的材料——铁基超导体,这是由日本科学家星野秀夫发现的。他发现镧-铁-砷-氧-氟材料的超导温度可以达到26 K..
超过20k已经很高了。中国科学家敏锐地意识到这种材料的重要性,然后用其他镧系元素取代了镧、氧、铁、砷和氟中的镧。
奇迹出现了,他们发现钐、铁、砷和含新元素的氟化氧的超导温度可以达到55K。从26K到55K是质的飞跃,40K的红线又突破了。
这意味着新一代高温超导体诞生了,也就是第二大高温超导体家族——铁基高温超导体。
见证“中国速度”
现在,科学家已经发现了铁基高温超导体的许多家族成员。事实上,许多铁基超导体是中国人发现的。
目前铁基超导块材的最高温度可达55K,薄膜可达65K。此外,这种铁硒薄膜令人惊叹,只有一层原子厚度。
总结什么是高温超导。需要说明的是,高温超导的温度并不高。
我们以40K的麦克米兰红线为标准,能超过40K的材料称为高温超导材料。目前符合这个标准的材料只有两种,铜基和铁基。
不同材料的临界温度
40K是什么概念?相当于-233℃,低于月球最低温度。只有温度高于第一超导材料金属汞的温度。
我们人类希望找到室温超导体。室温有严格的定义。在物理学中,室温是300K和27℃。
最终我们希望找到30万以上的超导体,于是物理学家去找了很多超导材料,发现了一万多种,有机的,无机的,各种各样的,都不容易用。
饮用水的超导性与葡萄酒的超导性
物理学家发现了两种有趣的超导体,一种喜欢喝水,另一种喜欢喝酒。
左图中的材料不是超导的。放在蒸锅里,像蒸馒头一样蒸。这种材料将成为超导体。
右边图片中的材料不是超导的。在各种葡萄酒中浸泡几次后,这种材料是超导的。然而,将这种材料直接浸泡在乙醇水溶液中并不是超导的。这家伙有一种特殊的“酒”,特别喜欢某种红酒。
超导性也隐藏在我们周围。每个人每天穿的防晒霜里都有超导体,里面有一种叫三联苯的物质。中国科学家发现,这种材料中可能存在125K的超导体,但尚未得到实验证实。
扭曲石墨烯
超导材料的发现很有趣。去年,中国科学技术大学大三班的曹源发现了扭曲的石墨烯,将两层石墨烯堆在一起,搭建了一个积木,从不同的角度看,超导性应运而生,令人惊叹,但超导温度很低,只有1K左右。
室温超导的未来
压力山更超导
我们有可能实现室温超导吗?事实上,稍高一点的压力可以帮助科学家实现室温超导。
例如,氢在室温下是一种气体。当两颗钻石相互挤压时,它们会变成金属氢,这就是传说中的室温超导体。
制造金属氢是非常困难的。几年前,两位哈佛教授发现了金属氢,但当钻石在测试它是否是室温超导体的过程中破裂时,氢就不见了。
我们可以改变思维,制造氢化合物,制造硫化氢,给材料增加200万个大气压,也可以实现20万k以上的超导。
最近,科学家们发现,在镧氢10中加入大约200万个大气压就可以达到25万的临界温度。
250K是什么概念?是-23℃,在东北为室温。
一起去木星挖室温超导矿
200万个大气层并不是随处可见,而是在地球内部和木星内部。
木星是一个巨大的氢气球,内部有大量的氢,内部有一个核心,核心周围有金属氢。
如果人们在寻找室温超导呢?我们可以钻入木星,找到室温超导体。
如果实现了室温超导,会对我们的生活产生什么影响?比如以后可以在家里搭一个很酷的悬浮沙发,一边嗑瓜子一边看电视。
当我们走出房间时,我们可以看到天空中漂浮的城市和地面上漂浮的汽车,而不仅仅是漂浮的高速列车。
未来超导世界:量子时代
在生活中,可以使用超导量子器件。例如,量子计算机可以通过用超导芯片代替半导体芯片来制造。
不要以为量子计算机离我们很远。事实上,IBMQ已经存在了。
量子计算机的运算速度非常快。用现在的计算机计算可能需要100年,在量子计算机上只需要0.1秒。
如果超导性得以实现,它也可能帮助我们建造一个非常强大的引擎。这时,我们可以驾驶宇宙飞船遨游整个宇宙。
超导看似离我们很远,其实离我们的生活很近。中国也有一个行动计划,计划在10年内拥有自己的量子计算机。
也许120年后,每个人都能享受超导带来的未来生活。
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