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实现室温超导,总共分几步?

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编者按:室温超导材料是最值得期待得革命性科技突破之一,但是真正的突破一直没有出现,相反每隔一段时间,有关室温超导的“大新闻”却总会跳出来热闹一番,从迪亚斯的闹剧超导,到韩国的烧烤超导,含糊的措辞和更加含糊的实验数据已经让人们产生了审美疲劳,那么,到底如何判断是否真正实现了室温超导呢?


图源:scitechdaily.com

这几年出现了多起 “室温超导”的事件,但却没有一个可以被业界成功验证的。换句话说,室温超导可能就是个烟雾弹,基本上属于“不明超导体”(USO:Unidentified Superconducting Objects)。既然室温超导目前并不存在,那室温超导未来是否还值得期待?

我们先从网上一个著名的段子说起:把大象放进冰箱,总共分几步?答案是分三步:把冰箱门打开,把大象放进去,再把冰箱门关上。类似的,我们也同样可以问,实现室温超导,总共分几步?答案也是三步:首先合成一个材料,然后在室温下测它的电阻为零,再测它的磁化率是负的抗磁性,就可以证明它是一个室温超导体了!

这个理论上看似非常简洁的步骤,在实操起来却是非常之困难!

我们倒着来,先看看第三步。抗磁性就是材料对外界磁场是负响应,也就是会产生一个与外磁场方向相反的磁化强度,磁化率为负值。如何证明一个材料具有抗磁性呢?简单嘛!把它扔到一块强磁铁上,会悬浮起来呗!这难道就是超导磁悬浮么?并非如此!诺贝奖得主安德烈·海姆曾经把一只青蛙扔进16 -20 T的强磁场里,青蛙也悬浮起来了!没错,生活中常见的水,也具有抗磁性,只要磁场足够强,含水多的物体都能悬浮。生活中还有很多材料也具有抗磁性,比如金属铜、银、铋、钛等,还有各类含苯环的有机材料,比如你抹的防晒霜,也是抗磁的,但很遗憾,它们都不是室温超导体。超导体的抗磁性非常之强,强到可以达到抗磁体积-100%,相比之下,其他材料里抗磁最强的就是热解石墨,抗磁体积仅有-0.04%,而水的抗磁体积不过负十万分之一左右!所以,如果你在室温下测不到接近-100%的抗磁性,就不能证明它可能属于室温超导体!


话说回来,超导磁悬浮,可不是因为它的抗磁性哦!而是因为它具有另一个独特的磁场效应——磁通钉扎。也就是磁力线会进入超导体内部,然后被牢牢锁住,一旦磁通线密度发生变化,超导体就会尽可能地想恢复原状。如果靠近磁铁,因为,超导体会对磁铁产生一个斥力,远离的话,会产生一个吸力。所以,超导磁悬浮,不仅可以上浮,还能倒过来悬挂在磁铁下方。这可不是普通抗磁悬浮能做到的!

我们再来看看第二步。如何证明一个材料的电阻为零呢?你可能会说,这不简单呀!把万用表两根电极直接往上一戳,你看,电阻示数为零吧?但,重点来了,万用表的电极跟材料的接触不良会造成一个很大的接触电阻,所以无论材料电阻多大,表的示数不会是零。要测量一个电阻很小的材料,必须采用四电极法才能避开接触电阻的影响。那即使我们采用四电极法,且用了比万用表更加精密的电流表电压表呢?也未必能确定材料电阻为零!万一是它的电阻很小很小,小到超出了仪表精度呢?嗯,是不是没有想象那么容易?事实上,如果一个材料电阻为零,那么无论你用如何精密的仪器去测量它,只要电流保持在一定范围之下(注:低于超导体临界电流),都得到直流电阻为零,表现为仪器读数总在最小精度左右,而且一会儿为正,一会儿为负,因为仪器近乎“失灵了”!目前最好的实验精度告诉我们,超导体的电阻率上限在10-24 Ω·m,比导电最好的铜银金等还低了十几个数量级,这还只是上限而已。如果我们把一个超导圆环通上电流,假设它永远保持超导状态,就会发现电流需要很长很长的时间才会衰减掉,计算得到的这个时间甚至比我们宇宙的年龄还要长!所以,超导体电阻是绝对为零!

好了,第三步和第二步看似都解决了,第一步怎么办呢?很遗憾的是,估计99.99999%的人,都卡在了第一步。因为至今为止,我们并不清楚室温超导,它究竟是一个什么样的材料?材料的形态、组分、元素配比、晶体结构等等,一概不知!我们能告诉你的是,目前人类发现了数十万种无机化合物,其中大约有1~3万种属于超导材料,绝大部分超导临界温度都在40 K,也就是大约-233℃以下。目前常压下最高超导临界温度为134 K,也就是-139℃左右。如果不考虑不靠谱的迪亚斯的工作,极端高压下的超导临界温度记录为260 K,也就是-13℃左右。

好嘛!到底什么是室温超导体呢?室温超导体,指的就是在室温下具有绝对零电阻和完全抗磁性的材料。在物理上,严格来说,室温指的就是300 K,也就是26.85℃,实际上比我们感受到的舒适室温要略高一点点。迪亚斯在2020年声称的碳-硫-氢化合物高压超导温度,是288 K,在2023年声称的镥-氢-氮化合物超导温度,是294 K,距离真正的室温超导,还差那么一点点。历史上,像迪亚斯这样爆出“室温超导”惊天大瓜的,实际上层出不穷,但无一例外,都经受不住以上三步的拷问。比如他们测量的电阻根本没有到零,磁化率其实也远远没有-100%,化学成分遮遮掩掩不敢公开,甚至数据都有可能是故意曲解或捏造的。而且,因为实验结果无法被其他研究组独立复现,最终都被鉴定为乌龙事件。

那,室温超导,还会有吗?如果要寻找室温超导体,可以从哪里入手呢?科学家们在寻找室温超导方面,还是有一些可行性方案的。

方案一:借助超高压力,生成常压下无法得到的材料新结构,其中含氢较多的材料都有可能是室温超导体。这个思路从2015年至今都在不断尝试,也确实是找到了许多特别高温度的超导体,包括前面说的260 K超导体LaH10。只是高压条件导致测试极为困难,这就让迪亚斯之流钻了空子,不过希望之光还在。

方案二:从现有的超导体微观机制出发,研究哪些相互作用有助于提高超导温度,然后重新设计构造新的材料,在多种相互作用帮助下一起提高临界温度。麻烦在于,我们对绝大部分叫做“非常规超导体”的材料的微观机制并不了解。

方案三:跳出三维材料的思维框架,在二维材料或者二维界面里寻找复合材料结构下的室温超导,或者在一维世界里重新组装原子积木。的确,科学家们在某两个材料组合下,发现了新的超导或提高了材料原本的超导温度,还发现了不少准一维的超导体,只是,他们临界温度还是太低了。

方案四:借助现在AI的超强算力,通过各种已知超导材料物性的庞大数据库来开展训练,即便在超导机制不明的情况下,也可以帮助我们预测出新的超导体,甚至是室温超导体。这个依赖于数据库的准确性,和AI的可靠性,目前科学们的行动刚刚开始,已有一些进展,但很遗憾都不是室温超导。

方案五:干脆跳出地球,去太空冒险采矿,就像电影《阿凡达》里面描述的那样。或许星际旅行看起来距离我们太遥远,但人类已经能够采取月球、火星、彗星、小行星上的样品了,也在陨石里发现过超导体。谁知道呢?室温超导体或许就隐藏在距离我们不太远的某个星球上呢?

怎么样,以上就是寻找室温超导体的真实方案,你想不想试一试?

本文来自罗会仟科学网博客。

https://blog.sciencenet.cn/blog-22926-1461808.html

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