超导系统

2012年10月02日 08:59 新浪科技 http://i2.sinaimg.cn/IT/2012/1002/U5385P2DT20121002084835.jpg　　悬浮中的超导体：物理学家们对于超低温超导，即所谓“标准超导”背后的原理已经基本搞清，但是对于“高温超导”领域，比如室温环境下如何实现超导的原理仍然知之甚少　　新浪科技讯 北京时间10月2日消息，最近科学家们在室温超导研究方面取得了一项发现，这一结果如果得到证实，将大大加快无损远距离输电和磁悬浮列车的研制的进程。　　尽管物理学家们已经搞清楚了在超低温超导，即所谓“标准超导”，比如零下275摄氏度低温环境下实现超导背后的原理，在“高温超导”领域，比如在高出绝对零度140度的环境下如何实现超导的原理仍然知之甚少。研究人员们仍然不清楚为何这些“温暖”的物质可以实现零电阻导电，科学家们也无法知道在相对高温的环境下，如室温环境下物质是否可以实现超导。而这正是此次的这项发现所要解答的。　　根据一份发表在《先进材料》杂志上的文章，价格便宜且容易获取的石墨粉似乎显示出超导特性的信号。并且这一切并不需要价格昂贵的低温冷却设备——让石墨粉显示超导性所需的材料仅仅是一盆水即可。　　德国来比锡大学的帕布罗·艾斯奎纳兹(Pablo Esquinazi)和其它物理学家最先于2012年发表在arXiv网站上的一篇文章中探讨了石墨的超导性。这些石墨材料中的一部分表现出约瑟夫逊效应，也就是在隔绝两块超导体之间的障碍中形成电子隧道的现象。这一效应说明这些石墨样本中包含具有超导特性的区域。　　艾斯奎纳兹表示：“基于这项工作，以及在过去3年间我们所做的工作，我们坚信这其中蕴藏着超导区域的可能性是存在的。”为了验证这种想法，研究人员用水处理石墨粉：他们将其与水混合23小时，将其取出过滤，并在100摄氏度环境中干燥。随后他们将这一经过水处理的石墨粉样本在改变的磁场环境中进行实验，观察其反应。　　石墨和其它一些材料在此之前便代表着室温超导研究的希望。在过去也曾有一些文章报告在经过硫或氧处理后的石墨粉中检测到微弱的，间接的超导信号。但是没有任何人，包括报告这些现象的科学家们，没有任何人能够真正制造出一个室温环境下的超导体——一种符合教科书定义的真正的超导体——可以实现零电阻导电的特性。　　然而超导体还有其它一些特征：一种材料。当其温度低于某一阈值，并经历某种相变时一般就会显示出超导性。而约瑟夫逊效应也是超导性的另一种信号，除此之外还有麦士纳效应，一般也被称为“反磁性”。当暴露于外部磁场中时，超导体会会推开这一磁场，从而阻止该磁场通过材料体内部。而超导体内部的磁场会比外部磁场更弱一些。这一特性让超导体得以悬浮半空，同时在外部磁场中形成可探测到的变化，同时也提供了一种对于超导性的可探测性信号。　　物理学家们此次正是利用了这一特点：他们将经过处理的石墨粉置于变化中的外部磁场，并测量其反磁性特征。结果显示样本的一小部分确实显示出超导性特征，但是这样的比例非常小，大约仅占0.01%。　　这样的比例可是一点都不让人感到振奋。艾斯奎纳兹表示：“这样的量实在太少了，这让我们很难进行进一步的研究。然而这一实验中给出了这样一种理念，那就是任何材料都可能在室温下实现超导，尤其是那些便宜而又容易获取的材料，如石墨和水。这一点具有重要意义。”　　加州大学圣迭戈分校物理学家伊凡·舒尔(Ivan Schuller)表示：“如果你能制造出一种零电阻材料，而且这种材料的原料非常容易获取，制造出来之后也不需要将其用液氮冷却。超导材料可以改变能量的传导量，将列车悬浮半空，还有其它很多很多事情。”它们迅速且高效的导电能力将让远距离无损输电甚至手持式电子设备从中受益。但是很难想象超导体被应用于电网结构之中，因为当下的超导技术还需要在低温下进行，而电网或是你的电脑是不太可能经常浸泡在液氮之中的。而如果石墨粉这样一种便宜而容易获得的材料果真能在室温下实现超导，那么这将彻底革新我们的现有技术。　　舒尔表示：“可以说，这一发现一旦证实，就将是一项重大发现。但问题就在于这究竟是不是真实的。这一点首先需要进行科学的判定。”舒尔认为由于这项发现意义重大，因此它更加需要更多的证据。研究人员目前还尚未能展示出这些样本具备了零电阻的特性，转变温度，甚至是约瑟夫逊效应。这些石墨粉样本所展示出的目前还仅仅是轻微的反磁性而已。　　舒尔表示：“这一现象必须在同样的样本中被重现，然后是从实验室的不同样本之间进行验证，再然后是在不同的实验室中进行验证。科学家们必须相互讨论和争论，以便最终确认这究竟是否真实。这就是科学运作的方式。如此一来，或许会有人得出正确的结论。”　　著名物理学家，美国斯坦福大学荣誉退休教授特雷多·加布雷尔(Theodore Geballe)同意这样的说法，即：当涉及室温超导问题时，仍然存在诸多的不确定性，仍然有很多工作需要去完成。尽管此次石墨粉材料表现出了初步的超导特性，他的意见是“在它们被证实之前，需要进行确认工作。我希望在本次报告之后就会有所突破，但是我对此一点都不感到乐观。”　　事实上，研究人员自己也认为石墨粉室温超导材料的研究还需要更多的证据才能得出结论。艾斯奎纳兹表示：“其它人必须进行相类似的实验并最终证明这一超导现象是确实存在的。这是一项非常精细的实验，信号非常微弱。”在此之后，他本人的研究小组将致力于增加石墨材料中具有超导属性的部分所占比重，并以此实现对其属性性质的分析。他说：“这样一来，如果这些超导材料的性质在室温下表现的足够好，足够稳定，这将是一场革命。我们真的只是刚刚起步。”(晨风)

在极端高压下变成金属态的氢元素极可能是室温超导体2013年08月08日 来源： 科技日报 作者： 罗会仟http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130807/051375868865125_change_wtt3837_b.jpg图为超导悬浮滑板http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130807/051375868865125_change_wtt3836_b.jpg生活中处处都是超导材料，如铝、钙、锡、铅等，一些非金属材料在高压下也是超导体，如硅、硫、磷等。 科幻电影《阿凡达》不仅仅给我们带来了3D的震撼视觉享受，也为我们构想出了一个奇幻美丽的潘多拉世界。其中最令人难忘的场景莫过于一座座悬浮在云端的哈利路亚山，山上爬满粗壮的藤蔓，还有壁挂飞天的瀑布和神秘的大鸟，神奇的哈利路亚悬浮山还时常在空中发生移动！ 究竟是什么神秘的力量能够悬空“托起”这一座座大山呢？电影中解释道，是因为山中蕴藏着一种叫做“Unobtanium”的神奇室温超导矿石，它借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这种奇珍异宝，疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁那威人的家园。 那么，什么是超导材料？它为何有如此强大的磁悬浮力量？我们现实中的地球是否存在室温超导体呢？ 超导的力量 一块超导板甚至可以悬浮起相扑选手 超导，顾名思义就是超级导电的意思。超导材料具有许多独特的电、磁、热等物理特性，其中最典型的就是当降到足够低温度（该温度点称作超导临界温度）的时候，超导材料的电阻会突然变为零，假如在超导环中诱导出电流的话，电流将永久环流而几乎不衰减，而且也不会有任何发热现象。如果将超导体置于磁场环境下，超导感应电流的存在将使超导体内自动形成一个如“金钟罩”、“铁布衫”一样的屏蔽磁场，这有效抵消了外界磁场，导致超导体内磁场为零。这便是超导体的另一种特性——完全抗磁性。 超导体对外磁场的“抗拒”会产生作用力，同时磁场对超导体也存在反作用力，而且越靠近磁体，该作用力增加得越多，因此将超导体置于磁场上方的合适高度就可以达到抗磁力与重力的平衡，从而把超导体悬浮在空中——这就是超导磁悬浮的原理。尽管悬浮现象在生活中比比皆是，但来自完全抗磁性的超导磁悬浮无疑是最强的悬浮力量之一，一块见方大小的超导板甚至可以悬浮起重量级的相扑选手。 超导的条件 临界温度“低得可怜” 超导材料具有如此奇特的物理性质，它们很罕见吗？其实生活中处处都是超导材料，因为元素周期表中的大部分单质金属元素都是超导体，如铝、钙、锡、铅等，一些非金属材料在高压下也是超导体，如硅、硫、磷等。可是生活中却很少用到它们的超导特性，关键问题在于要实现超导，就必须将温度降到超导临界温度之下。遗憾的是，金属单质和合金超导体的临界温度都低得可怜。 例如1911年发现的第一个超导体——金属汞的临界温度在4K（热力学温标，相当于-269℃）左右，可以说它已经接近宇宙中的最低温度——绝对零度0K（-273℃），直到1986年以前，科学家发现的最高临界温度的超导体是Nb3Ge（中文名铌三锗），也仅为23K（-250℃）。要达到如此低的温度，用空调、冰箱来制冷是绝对不行的，它们顶多到-100℃左右，这需要依赖昂贵的液氦来制冷，就算在科研实验中也存在诸多局限，更何况大规模应用到生活中。 一个预言曾让高温超导研究陷入迷茫 超导体的零电阻和抗磁性让人们对其应用充满渴望，因为它将大大节约电力传输和使用过程中的损耗、可以提供持续稳定的强磁场、实现安全快捷的高速磁悬浮运输等等。因此，寻找到更高超导临界温度的超导体，乃至室温（300K或25℃左右）下的超导材料，势必将对人类未来的生活带来翻天覆地的革新。 1957年，物理学家巴丁、库伯和施里弗成功建立理论解释了传统金属单质和合金中的超导现象。他们认为：实现超导的关键在于低温下材料中的电子会“两两牵手配对”并且所有电子对能够和谐一致地运动，从而相互抵消了各自运动过程的能量损耗而实现超级导电的目的。据此理论，人们预言超导临界温度将不可能超越40 K(-233℃)，这个预言曾经一度让寻找更高临界温度的超导体之路陷入迷茫。 超导的希望 高温超导家族正在壮大 然而实验物理学家并没有放弃对更高转变温度超导体的探索。功夫不负有心人，1986年，IBM的工程师柏诺兹和穆勒在La-Ba-Cu-O陶瓷材料中发现了35K(-238℃)的超导电性。随后，华人科学家朱经武、吴茂坤以及中国科学家赵忠贤等人发现了具有93K(-180℃)超导的Y-Ba-Cu-O体系。最终，这类铜氧化物超导体最高临界温度提高到了165K(-108℃)附近，从而被称为高温超导体(这里的高温，只是相对常规金属超导体的低超导临界温度而言的)。 高温超导体的临界温度迈入了液氮温区，大大降低的研究和应用成本。然而，高临界温度只是超导应用中的重要指标之一，为大规模应用，超导材料还需要具有良好的可塑性和承载大电流的本领等，为寻找到更多更适合应用的超导材料，科学家加快了超导探索的脚步，陆续发现了许多超导新家族。例如：2001年，日本科学家发现临界温度高达39K的MgB2超导体；2008年，日、中、美、德等多国科学家在铁砷族化合物中发现55K以上的超导电性，这类超导体被称为铁基超导体，是个极其庞大的家族。 氢元素被“寄予厚望” 如今，超导体的种类已经覆盖各种金属、合金、非金属化合物、氧化物，乃至有机物等多种物质形态，似乎暗示“条条大路通超导”。随着诸多新超导体的不断涌现，超导研究领域高潮迭起，人类对超导的不断深入认识也极大地推进了现代基础物理的前沿研究，人们对室温超导体的发现更加充满期待和厚望。 从理论上，已经预言在极端高压下的氢元素将变成金属态，它就极可能是室温超导体。从实验上，人们在各种化学形态物质开展深入探索和研究，已经在寻找更高临界温度超导体积累了丰富的经验。 相信在不久的将来，只要我们不断努力前行，现实中的哈利路亚山——室温超导体也许不再是梦想。到那时，你或许可以用超导磁悬浮技术在云彩之中练瑜伽或在悬空的“白云”沙发上酣睡，那是何等地惬意和美妙！（文·罗会仟） （作者系中科院物理研究所理学博士，中科院物理研究所副研究员，主要从事高温超导体的中子散射研究。本文转自蝌蚪五线谱网站） 《科技日报》（2013-8-8 五版）