科学网 › 标签 › 高压物理

标签: 高压物理

相关帖子	版块	作者	回复/查看	最后发表

没有相关内容

相关日志

室温超导，指日可待: 热度 1 zhigangwu 2019-3-15 07:41; 国内一些媒体以及微信公众号文章，误以为去年（ 2018 年） 3 月曹原以第一作者身份发表在《自然》杂志上的两篇文章，解决了困扰物理学界一百多年的难题：实现室温超导。实际上曹原及其合作者发现的石墨烯超导体，其转变温度只有 1.7 K ，远远低于室温 293-298 K (20-25 摄氏度 ) 。在资讯发达的今天，写作者只要上网查一下文献，或者咨询一下这方面的专家，不难避免这种误导性错误。曹原等人的发现，被评为 Nature 杂志的 2018 年 10 大发现之首，并非由于这种材料的超导转变温度创了新记录、甚至接近了室温，而是这个发现有可能导致解决 1986 年发现的铜氧化物的超导机制之谜。这是因为石墨烯超导体和铜氧化物超导体令人惊异的相似之处：超导态和 Mott 绝缘态非常靠近——非常规超导体的最典型标志。常规超导体可以用 BCS 理论解释：一对本来相互排斥的电子，由于电子和晶格震动（声子）的相互作用而束缚在一起，其能量比费米能略低。一对束缚在一起的电子，也叫“库伯对”，形成玻色子，可以同时占据宏观数量的相同量子态，从而实现超导。而单个电子是费米子，每个量子态只能被最多一个电子占据。非常规超导体，主要是铜氧化物，其超导机制目前尚不清楚——不知道库伯对在铜氧化物里是由何种机制形成的。这些“电子强关联”陶瓷材料异常复杂，理论家难以简化得到一个像 BCS 理论那样清晰的物理模型。而石墨烯超导体结构简单，如果超导机制和铜氧化物的一致，那么理论家就有可能建立相关模型，得出超导机制，解决这个困扰物理学界 30 多年的难题。如果非常规超导机制清楚了，那么发现常温超导体就多了理论指导，大大增加了发现的可能性。这是曹原等人文章的重大科学意义。但最近的理论和实验都发现，石墨烯超导体的某些性质和现象，更像常规超导体。即使石墨烯超导体的发现，导致解决非常规超导体的机制，距离发现室温超导体，依然还有较为漫长的路程。自从 1911 年 4 月昂内斯发现水银的电阻在 4.2 K 忽然消失，提高超导转变温度、寻找室温超导体一直是物理学的中心研究课题之一。这个领域产生了 8 位诺奖得主，可谓科研的金矿，这是由于超导体的巨大商业应用前景，更是因为超导现象本身的神奇，联通了物理学最大的两个分支：凝聚态物理和粒子物理。比如受 BCS 理论中“自发对称破缺”的启发，南部阳一郎将凝聚态物理的这个数学模型，成功地引入量子场论，发现亚原子物理学中的自发对称性破缺机制。但从 1911 年到 1985 年，超导转变温度才提高到 30 K 。以这个极其缓慢的速度，达到室温的话，至少还需 750 年！那时好多物理学家认为，超导转变温度的极限，就是大约 30 K 。就在全世界物理学家对此非常沮丧的时候， Bednorz 和 Müller 发现了新型超导体：镧钡铜氧，转变温度“高”达 35 K 。随后在短短不到一年的时间里，钇钡铜氧被朱经武、吴茂昆发现，超导转变温度迅速提高到了 92 K 。 1987 年美国物理学会三月会议，上演了著名的“ Woodstock of Physics” ， 50 多位科学家作了超导体最新进展的报告。这场科学马拉松，直到次日凌晨 3 时才结束。虽然铜氧化物的超导机制一直不太清楚，但这丝毫没有阻碍热情高涨的全世界物理学家的杰出想象力。他们大概将所有可能的铜氧化物都化合出来了，然后测量其超导性。 1993 年，铜氧化物（ HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x ）再次创造了超导转变温度的记录： 133 K （常压）， 164 K （高压， 31 GPa = 310,000 大气压）。这个记录保持了整整 22 年。期间新型铁基超导体在 2006 被发现，但其转变温度一直相对比较低，最高仅有 55 K ，直到 2014 年，才由中国物理学家发现了转变温度达 109 K 的单层 FeS 薄膜。目前铁基超导体的超导机制也没有完全弄清，有些物理学家认为是 BCS 理论，而另外一些物理学家认为和铜氧化物相似。最近有物理学家甚至认为，铜氧化物也遵循 BCS 理论，只是“看上去”更复杂一些而已。真是这样的话，也许可以解释为什么曹原发现的石墨烯超导体，某些性质和铜氧化物类似，而另外一些性质又很像常规超导体。就在同一年（ 2014 年），吉林大学马琰铭教授的科研团队，通过密度泛函理论的第一原理计算，预测了硫化氢在 100 GPa 的高压下，会变成超导体，转变温度大约 80 K 。这个研究源自 1968 年 Ashcroft 根据 BCS 理论，预测氢在极端高压下（几百个 GPa ），会变成金属，并且是转变温度非常高的超导体。具体转变温度有多高？需要多高的压强？ Ashcroft 在 1968 年无法做精确计算。 40 年后，大量的第一原理计算表明，氢在大约 400-500 GPa 时会变成金属态，而压强达到 500 GPa 时，超导转变温度是 356 K ，在 700 GPa 时是 481 K 。 2017 年，金属氢第一次被观测到，压强是 495GPa ，和理论预测相差不大。但在如此高压下测量超导性，非常困难。同时，理论估算超导转变温度不是很准确，需要一些设定的参数，这些参数直到最近十年才都可以通过理论计算得到。另一方面，根据 BCS 理论建立的 Macmillan 公式，在大多数情况下会过（严重）高估计超导转变温度。比如理论预测金属锂在高压下的最高转变温度是 60-80 K 之间，实际测量到的只有 16 K 左右。如果知道了实验数值，理论物理学家可以调整参数和 Macmillan 公式，进而对类似材料的超导性作出更加精确的估算。由于金属氢要求的压强实在太高，难以实现，物理学家和材料学家退而求其次，研究富氢材料，希望能够以“化学压强”取代（部分）物理压强。 2014 年吉林大学的这篇文章，就是沿着这个思路进行的科研。没想到 2015 年德国马普所科研人员的实验发现，硫化氢在 90 GPa 的高压下，超导转变温度居然高达 203 K ！这不仅创造了新纪录，而且大大提高了 BCS 理论的适用范围。物理学家们有理由相信，常规超导体也能是“高温超导体”、甚至是室温超导体。这个超导转变温度的记录，去年被美国 George Washington 大学 Hemley 科研团队，以及测量硫化氢超导电性的马普所 Eremets 科研团队所打破。他们发现镧氢化物在 170-185 GPa 的高压下，超导转变温度是 250-260 K ，也就是说，在北极无需制冷就可以实现超导了。之前（ 2017 年） Hemley 和马琰铭的团队，都理论预测了镧化氢（ LaH10 ）在 200 GPa 的高压下，会变成超导体，其转变温度在 270-290 K 之间。这一次他们的理论预测，和实验结果非常吻合。考虑到此类计算的难度，这一次理论预测近乎完美。我认为高压下的常温超导体，在一两年内很有可能被发现。而常温常压下的超导体，尚需较长的时日。一种可能是直接通过不断尝试的实验，加上一点理论指导，发现铜氧化物、铁基超导体、富氢材料之外的第四种高温超导材料；二是解决了铜氧化物的超导机制之谜后，可以通过理论设计出新型超导材料；三是发现某种富氢材料的化学压强，可以完全取代物理压强，或者是其在超高压下的晶体结构，处于很深很宽的势井，这样的话急速撤销压强，这个 meta-stable 的结构可以在常压下维持。在有生之年，我认为我会看到常温常压超导体被发现；同时我也认为，所有的超导体，其超导机制是相同的，只是在复杂的铜氧化物里，清晰的物理图像被暂时掩盖了。; 个人分类: 科普|6000 次阅读|1 个评论

太子（太子弦）存在的证据(三)及高压下粒子寿命延长和能量升高: tyctyc 2018-1-27 17:36; 爱因斯坦在相对论中定义了物理时间t=x/C 0 ，x是距离， C 0 是真空中的光速，闵柯夫斯基推广到介质中t=x/C ，C是介质中的光速。实测时用： △ t = △ x/ C 。在真空中有：C 0 = √(G 0 / ρ 0 ) ， G 0 是真空中太子的切变弹性模量， ρ 0 是太子在真空中的密度。在常压下介质中有，C = √(G 0 / ρ ) ， G 0 是介质中太子的切变弹性模量， ρ是介质中的太子密度。在水中 ρ 真空中 ρ 0，所以有CC0 ，光从真空中进入水中频率 ν不变。从C= λ × ν 中得知在水中光速下降，同时水中光波长 λ变短。我用水中单缝衍射测得水中光波长 λ的确变短了，别人用光栅测得同样结果。这也是太子存在的证据之一。 ρ 1 是高压下介质中的太子密度，在高压下太子的切变弹性模量 G=G 0 ρ 1 / ρ ，此时介质中光速C， C= √(G/ρ 1 ) = √(G 0 / ρ )=C ，在高压下介质中光速不变。如果太子弦是真实存在的，太子弦有弹性可以被拉伸和压缩，那么在高压力下必然有表现，从公式 △ t= △ x/C 得知在高压下 △ x 可以压缩变小、导致 △ t变小。从 △ ν = 1/( △ t) 得出在高压下 △ t变小使 △ ν变大。实验有人做了，他们发现高压区物质的吸收光谱蓝移了，表示要更高频率的光子才能被吸收和。特别是R荧光在高压下消失的实验直接证明：要激发高压区物质产生R荧光需要更高频率的光子才行。图1. (b)入射光514.5nm 的 R荧光峰在68.2GPa时灭 (e)入射光488nm 的 R荧光峰在85.1GPa时灭图1引自： http://www.ixueshu.com/document/c32f7d85d98bccc1318947a18e7f9386.html ,无商业目的。从图1可知在70GPa压力以上可用488nm及更短波长的光才能激发出R荧光峰，在85.1GPa压力以上可用476.5nm及更短波长的光才能激发出R荧光峰，在100GPa压力以上可用441.6nm及更短波长的光才能激发出R荧光峰。从E=h ν可以得出高压下反应粒子的能量更高的结论。同理从公式 △ t= △ x/ C 得知在高压下 △ x 变小、 △ t变小，这将使得高压下粒子的寿命延长。建议有条件的实验室尽快测量高压下不稳定同位素的半衰期，将发现高压(300GPa)下不稳定同位素的半衰期延长。与低压区(低太子弦密度区)相比，高压区(高太子弦密度区)的太子弦缩小，那里光频率v变高、时间变小，从E=hv得到光子能量变大了。同样因为太子弦缩小使有质量粒子的能量和质量变大、使不稳定粒子的寿命变长了。换句话说高压区(高太子弦密度区)进行的物理过程需要比在低压区更高的能量水平才能完成，这就是我2017.5.22提出的太子弦压缩机制。参考文献： Stephens.D.R et al., J.Chem.Phys.,35(1961),427. Goto.T et al., Phys.Chem.Miner.,4(1979),253 . 刘振先,崔启良,邹广田,高压物理学报,1991,5(1).; 个人分类: T物质(太子弦)|1480 次阅读|0 个评论

太子存在的又一证据：压力红移(太子弦压缩机制): tyctyc 2017-5-22 18:45; 我在狭义相对论 http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-730319.html 中指出，相对论的两大效应是长度(x)缩小和时间(x/c) 缩小，当有质量的粒子被加速时，粒子的太子被压缩太子密度升高，对外表现为质量增长，那里的时间缩小，对外表现为不稳定粒子的寿命延长。我在另一博文 http://blog.sciencenet.cn/blog-531273-960841.html 指出光子是一维太子弦的波动。相对论的长度缩小应该是一维太子弦的缩小。该说法有没有实验证据？有！请看：在高压物理中，在高压下物质产生的荧光波长变长了 (压力红移) https://wenku.baidu.com/view/be05c24650e2524de5187eb2.html?re=view p27-29页，图1.压力红移示意图，该图引自 https://wenku.baidu.com/view/be05c24650e2524de5187eb2.html?re=view p27-29 页，无商业目的。与低压区(低太子弦密度区)相比，高压区(高太子弦密度区)的太子弦缩小，那里光频率v变高、时间变小，从E=hv得到光子能量变大了。同样因为太子弦缩小使有质量粒子的能量和质量变大、使不稳定粒子的寿命变长了。换句话说高压区(高太子弦密度区) 进行的物理过程需要比在低压区更高的能量水平才能完成，这就是粒子的太子弦压缩机制。在更高压下以原波长光激发只能得到更低能量(更长波长)的荧光，这就是压力红移，这个结论还有更多实验证据：高压区物质的吸收光谱蓝移了，表示要更高能量的光子才能被吸收和。特别是R荧光在高压下消失的实验直接证明：要激发高压区物质产生R荧光需要更高能量的光子才行。图2. (b)入射光514.5nm 的 R荧光峰在68.2GPa时灭 (e)入射光488nm 的 R荧光峰在85.1GPa时灭图2引自： http://www.ixueshu.com/document/c32f7d85d98bccc1318947a18e7f9386.html , 无商业目的。从图2可知在70GPa压力以上可用488nm及更短波长的光才能激发出R荧光峰，在85.1GPa压力以上可用 476.5nm 及更短波长的光才能激发出R荧光峰，在100GPa压力以上可用 441.6nm及更短波长的光才能激发出R荧光峰。用上面的压力系数可以算出大气压能使粒子和光子的能量升高一倍。不稳定核子的半衰期在高压下能变长，例如中子平均寿命大约900s，但中子星的中子在高压下寿命很长(上亿年)，这是高压物理的一个方向。在太阳半径0.25R处氢核聚变产生的中微子能量在Mev量级。在太阳中心处压力大气压，用上面的压力系数可以算出在大气压的超高压下，氢核聚变产生的中微子能量大于Gev量级。越靠近恒星中心核反应产生的粒子能量E越大，有，r(r0)是到恒星中心的距离，这个称为太子弦压缩机制。这可以用实验来证明(已经有些初步证据见A,B)，江门中微子项目也许能测到太阳产生的Gev量级中微子。将来要提高角分辩率才能判断宇宙线中 ev的中微子及其他粒子是否来自银河系中心，这需要与其他大探测器联合测量。那么银河系中心大质量黑洞附近能产生 ev的中微子及其他粒子就好解释了。自然界没有人造加速器那样精密(相位匹配)的加速方法，只有靠蛮力加速粒子，极高压力下的核反应就是自然界的蛮力加速器！极高的压力直接就能将原子核压成中子同时发射高能中微子。 A：太阳耀斑期间产生更多高能中子： http://www.ixueshu.com/document/49ef79cd30de2876318947a18e7f9386.html ，过去以为是高能质子产生的，在太阳表面那么混乱的环境能把质子加速到Gev以上？提出这个观点的人都不会真相信，只有超高压下的核反应才会产生Gev以上的粒子，其中只有中微子才能到达太阳表面，这些Gev量级的中微子产生高能中子和高能质子。 B: 高能中微子见： https://www.researchgate.net/publication/255927137_Evidence_for_Oscillation_of_Atmospheric_Neutrinos 这里有迹象表明Gev级中微子与太阳有关，但他们不是以此为目的所以方向角分辩率不够。但从流量可以判断是太阳产生的，因其他恒星产生的高能中微子流量至少小二个数量级以上。真正的中微子望远镜要三个远距离的大型中微子探测器才能组成，也许江门、超级神冈、再加一个在美国的或在南半球的大型中微子探测器才能组成一个大型中微子望远镜，将来高能(Gev、Tev)中微子物理才是天体物理的主要方向。我在这里预言：在太阳半径0.05R以内的区域能产生Gev量级的高能中微子，只有三个远距离的大型中微子探测器联测，其方向角分辩率才够。大家拭目以待。参考文献： Stephens.D.R et al., J.Chem.Phys.,35(1961),427. Goto.T et al., Phys.Chem.Miner.,4(1979),253 . 刘振先,崔启良,邹广田,高压物理学报,1991,5(1).; 个人分类: T物质(太子弦)|655 次阅读|0 个评论

更多...

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

关闭 安全验证

标签: 高压物理

相关帖子

相关日志

关闭安全验证