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臭鸡蛋硫化氢超导事件的十点回顾: 热度 12 Penrose 2016-10-11 12:08; 臭鸡蛋硫化氢超导事件的十点回顾图1 德国科学家发现硫化氢在超高压下超导图2 超导材料的发现年代和临界温度，硫化氢203 K超导打破了多年来的记录 1. 2014年12月1日，德国马克斯普朗克化学研究所的科学家Drozdov和Eremets宣布在硫化氢中发现 190 K 超导现象，但需要 150万个大气压的超高压环境，由于测量极端困难，他们数据里只有关于零电阻效应，缺乏迈斯纳效应（完全抗磁性），尚未能彻底证实超导； 2. 由于突破 165 K 记录的高温超导甚至室温超导的爆料年年有，而且次次皆乌龙，科学家们早已对此麻木不理。硫化氢超导爆料出来，也是遍地质疑，几乎没人相信，绝大多数人怀疑他们数据测量出错了。如果实现室温 300 K 超导，必然是一个诺贝尔奖！即使如此，超导研究领域的许多科学家也不太想去重复实验，怕白白浪费了时间和精力； 3. Drozdov和Eremets等把论文贴到预印本网站arXiv上后，随即投稿到了Nature，编辑部对此也是充满怀疑，为了保证数据的准确性和可重复性，编辑部要求他们提供抗磁性的数据，同时派了专家调查组到他们实验室，监控每一个数据记录的产生，六个多月后的2015年 6月25日，确认数据无误，并得到了一些更新的结果，获得了初步的抗磁性测量数据，才允许他们正式投稿Nature； 4. Nature审稿花了一个月，审稿人认真提了许多问题并得到作者的详细回复，论文最终于2015年7月22日接受，并于2015年8月17日发表，论文发表时他们已经实现了在220万个大气压下发现203 K的超导电性； 5. Drozdov和Eremets的同事Troya和俄罗斯科学院的Gavriliuk等人合作，利用高压核磁共振技术证明了硫化氢体系在153 万个大气压、 140 K以下具有抗磁性，论文于2015年6月17日投稿到了Science，并于 2016年1月4日正式发表，审稿时间约半年； 6. 硫化氢在高压下超导本身并不稀奇，因为还是在常规超导BCS理论框架范围内，理论上早有预言金属氢可以实现高温超导，只是实验上直到实现了金属氢也没有超导（理论预言条件一改再改，已经超出实验物理学家能力范围了）。在2014年，中国吉林大学的马琰铭研究组首次预言H2S在160万个大气压有 80 K左右的超导电性，同在吉林大学的崔田研究组预言H2S-H2化合物在高压下可能实现191 - 204 K 的高温超导。有意思的是，德国人的实验结果发现通过不同的测量处理样品方法，可以得到一个 70 - 90 K的相对较低温度超导相，和一个 170 - 203 K的高温超导相，和两个理论工作不谋而合。所以德国人的发现完全是理论上“意料之中”，他们在同位素氘的硫化物的结果也表明这是一个常规超导体。其实，德国科学家在Nature论文摘要就明确提到，他们是受到马琰铭组的论文启发才做的实验（内幕消息说是马琰铭把计算结果告诉了Eremets，因为他是世界上少数几个能做到 150 万个大气压以上实验测量的人！）。实验idea很简单，但要做成功的挑战非常之大，其关键在于实现 200 万大气压以上的电测量和磁测量极其困难，据不完全统计世界上不超过五个实验室能做到； 7. Eremets 在2015年多次国际学术会议上报道了他们的成果，起初大家反应都极其冷淡，会场提问很少。后来他多次提及日本及中国的实验室在重复他们的研究，并且在 150 万个大气压以内的数据都得到了重复，但由于相关实验结果仍然未能发表，绝大部分实验科学家仍然将信将疑。与此同时期，不少理论计算文章发表，预言了在如此极端条件下的硫化氢超导特性，包括中国吉林大学的崔田研究组在内的国内外团队通过计算表明H2S很可能在高压下分解成了H3S和S，实际超导相很可能是H3S 。 Drozdov也在不断尝试重复实验，并将后续结果及实验细节报道出来，不过他们研究组人手少，进展相对较慢； 8. 为了确认H2S-H2体系的真正超导相，吉林大学的马琰铭研究组和美英法西班牙等国科学家合作，结合理论计算和实验测量，发现这个体系确实非常复杂。除了H2S之外，高压下可能会分解成H3S、H2S3、 H3S2、 HS2、 H4S3等等，其中 H3S在110 万个大气压以上最为稳定。论文于 2015年9月1日投稿，并与2016年1月11日发表在Physical Review B上。日本大阪大学科学家Einaga和Shimizu等人在Drozdov和Eremets的帮助下，于2015下半年在自己的实验室同样重复了实验研究工作，并进行了X射线衍射结构分析，确认了最可能的超导相是立方相的H3S，和吉林大学崔田研究组的报道结果完全一致。论文于2015年9月9日投稿，并与2016年5月9日发表在Nature Physics上，审稿时间约九个月； 9. 日本大阪大学的Ishikawa和Shimizu等还从理论上预测之前德国人观测到另一个50 - 70 K的超导相也有可能是H5S2 ，不过压力稳定区间可能很小。论文于2015年12月20日投稿，并与2016年3月17日发表在Scientific Reports上； 10. 2016年10月11日，中国吉林大学的崔田研究组宣布成功测量了150 万个大气压下硫化氢体系的迈斯纳效应，在多个压力点得到了清晰的抗磁性信号，完全重复验证了前面的研究结果，从而基本坐实了硫化氢在超高压下超导的新物理突破。总之，目前已经从理论和实验上基本搞清楚 200 K左右超导的是H3S相，而低温下硫化氢体系多个的超导相是什么尚未完全确认。虽然我们还尚待其他研究组更多地重复实验结果，人们已经对在其他氢化物中实现超高压下的室温超导充满了期待！多余的话：部分国外科学家在报道硫化氢超导事件时，只字不提中国科学家在理论方面的奠基性工作，是对我们中国科学家的不尊重。但愿在该领域后续研究工作中，会有越来越多中国人的声音！图3 德国科学家在arXiv的文章图4 德国科学家在Nature的文章图5 德国科学家在Science的文章图6 中国科学家在JCP的文章图7 中国科学家的理论预言文章之一图8 中国科学家的理论预言文章之二图9 中国科学家的理论和实验研究文章之三图10 日本科学家的Nature Physics文章图11 日本科学家的Scientific Reports文章图12 中国科学家的arXiv实验研究文章之四参考阅读纳尼，室温超导体来了！？超导“小时代” (1) ：慈母孕物理超导“小时代”(2)：人间的普罗米修斯超导“小时代” (3) ：鸡蛋同源超导“小时代” (4) ：电荷收费站超导“小时代” (5) ：神奇八卦阵超导“小时代” (6) ：秩序的力量超导“小时代” (7) ：冻冻更健康超导“小时代” (8) ：畅行无阻超导“小时代” (9) ：金钟罩、铁布衫超导“小时代” (10) ：四两拨千斤超导“小时代”(11)：群殴的艺术论文原文 H2S_Theory_YM Ma_JCP-2014.pdf H3S_Theory_T Cui_srep06968.pdf H2S_Nature_Drozdov__Nature2015.pdf H2S_Dissociation_YM Ma_PRB-2016.pdf H2S_PRB_Theory_T Cui_PRB_91_180502.pdf H2S_ScientificReports_Ishikawa_srep23160.pdf H2S_Science_Troyan_Drozdov_1303.pdf H2S_NaturePhysics_XRD_Einaga_nphys3760.pdf H2S_arXiv_Drozdov_1412.0460.pdf H2S_arXiv_Meissner_T Cui_1610.02630.pdf; 个人分类: 超导小时代|19003 次阅读|23 个评论

纳尼，室温超导体来了！？: 热度 17 Penrose 2016-7-6 08:44; 图1. 科幻电影《阿凡达》里的室温超导体“Unobtanium” 1. 室温超导——科幻 or 现实？在科幻电影《阿凡达》里，人们为了开发潘多拉星球上的宝贵资源，创造了人脑遥感控制阿凡达试图和那威人“和平共处”，然而不幸的是，强烈的利益冲突最终还是导致了大战爆发，人类在不惜一切代价摧毁外星人家园的同时损失惨重。地球人大老远跑到外星球去，究竟挖什么宝贝呢？电影里揭秘道，是一种叫做“ Unobtanium ”的地球上没有的神奇室温超导矿石。这室温超导体具有异常强大的力量，以至于依赖潘多拉星磁场就足以悬浮其含有这类矿石的一座座“哈利路亚”大山，其经济价值无可估量！和平主义者也许会想：如果在地球上就找到了或者人工合成了室温超导体，那么或许就没必要远征宇宙深入，避免和外星人发生流血冲突了。室温超导体，真的可以有？ 2016 年三月和六月，著名的科研论文预印本网站 arXiv.org 先后贴出了两篇论文，号称发现了 373 K 的超导体和 350 K 的超导迹象。从科学定义上，一般认为 300 K 就是室温（ 0 ℃相当于 273 K ， 300 K 则相当于 27 ℃）。因此， 373 K 和 350 K 都高于室温，这是否意味着室温超导体就此被发现了呢？对于不做超导研究的公众来说，部分是将信将疑，部分是欢呼雀跃。等等，先别高兴的太早！在国内外绝大多数超导科研者眼中，这两篇论文纯属 YY ，根本不值得一看，且不论其真假与否。换句话说，在任何超导国际会议中，没有一个人会提这茬。为什么科学家对室温超导体的发现，会反映如此冷淡呢？我们下面就从超导的探索历史来窥见一二。图2. arXiv上关于室温以上超导电性的报道 2. 超导，是个啥玩意儿？图3. 超导的零电阻效应和迈斯纳效应(完全抗磁性) 要说室温超导是啥，先得回答什么是超导。从字面意思上，超导就是超级导电之意。超导体导电能力有多强？在一定温度（定义为超导临界温度）之下，超导体电阻为零。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来，但是精确实验表明，超导材料的电阻率要小于 10 -18 Ω ∙ m ，要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等（也是目前电线的主要成分）要整整低了 10 个数量级！这意味着，在闭合超导线圈中感应出 1 A 的电流，需要近一千亿年才能衰减掉，比我们宇宙的年龄（ 138 亿年）还要长！因此，我们有充分的理由认为超导态下电阻为零。第一个超导体——金属汞，由荷兰科学家卡末林•昂尼斯等人在 1911 年发现，并因此获得了 1913 年诺贝尔物理学奖。形成神奇的零电阻态同时，超导体还“修炼”成了另一种神奇的“金钟罩铁布衫之功”——可以把体内的所有磁力线排出外面，体内的磁感应强度也为零！无论是先置入外磁场中后降温到超导态，还是先降温到超导态再放入外磁场中，外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部，超导体具有“完全抗磁性”。该效应于 1933 年被德国科学家沃尔特•迈斯纳发现，又被称为“迈斯纳效应” 。只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料，才能从科学意义上称之为超导材料！只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料，才能从科学意义上称之为超导材料！只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物性的材料，才能从科学意义上称之为超导材料！重要事情说三遍！！！从微观上来说，超导态是电子的一种宏观量子有序态。超导的出现实际上是电子群体“手牵手”配对并凝聚的过程。尽管我们习惯认为两个带负电的电子永远因为库仑作用而相斥，但是，倘若它们因为某种间接作用而发生微弱的相互吸引呢？那么，原本是冤家的电子将各自寻找合适的伴侣而两两配对，电子对们将在量子力学的效应下实现“步调一致”的行走模式，最终集体凝聚到了稳定的低能组态——超导态。因为配对电子动量相反，所以当其中某个电子受到散射发生能量损失，另一个反方向运动的电子就会受到类似散射但发生能量增加，电子对保持能量不损失的状态继续运动，出现宏观零电阻态。而电子对们的集体抱团行为，形成了良好屏蔽效应，磁力线也很难渗透到内部，也就有了完全抗磁性。图4. 快速、稳定、高效的超导磁悬浮列车 3. 超导有何用？凡是用得上电的地方，都有超导的用武之地。超导输电可以节约目前高压交流输电技术中 15% 左右的损耗，超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势，是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。欧洲大型强子对撞机上的 9300 多个超导磁体，就是发现希格斯粒子必不可缺的大功臣。和常规磁悬浮技术相比，超导磁悬浮列车更为高速、稳定和安全，是未来交通工具的重要明星之一。超导还具有许多复杂有趣的微观量子效应，利用超导电流的量子干涉效应制备的超导量子干涉仪，对外磁场感应极其敏感，是目前世界上最灵敏的磁测量仪器，仅受到了量子力学基本原理的限制。基于超导量子干涉仪制备超导量子比特，是未来量子计算中最重要的量子单元，基于量子力学原理实现的高性能计算，将掀起一场新的信息革命。超导材料阻抗性能好，利用超导体替换常规金属做微波器件，具有信噪比高、带边抑制明显、带宽控制灵活等多个优势。也许您使用的智能手机，其通讯基站就用到了超导滤波器，这些高性能微波器件同样在军事设备、卫星通讯、航空航天等领域大有所用。 4. 超导材料探索之路超导长期以来都是基础物理研究中的一个重要前沿领域。自 1911 年 4 月 8 日，第一个超导体——金属汞被发现存在 4.2 K 的超导电性以来，物理学家发现了大量单质和合金超导体，但是它们的超导临界温度都很低， 75 年过去了，探索到的最高临界超导温度的化合物是 Nb 3 Ge ，为 23.2 K 。如此低的超导温度意味着，实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境。这导致超导应用的成本急剧增加，维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值。寻找更高临界温度，特别是液氮温区 (77 K) 以上的可实用化超导材料，成为材料探索的重要目标。 1986 年瑞士苏黎世 IBM 公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了 35 K 的超导。在中美等国科学家的推动下，该记录在五年内不断刷新，于 1994 年左右创造了常压下 135 K 、高压下 164 K 的临界温度新记录。然而，铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷，缺乏柔韧性和延展性，容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热，应用起来存在许多技术难度。而且，其物理性质极其复杂，难以被现有理论框架解释。寻找新型的高温超导体，势在必行。 2008 年 2 月 23 日日本科学家报道了铁砷化物体系中存在 26 K 的超导电性。在中国科学家的努力下，这类材料的超导临界温度很快就突破了 40 K ，在块体材料中实现了 55 K 的高温超导电性。新一代高温超导家族——铁基超导就此宣告发现。只是，这类超导体大都含砷或碱金属，不仅有毒而且对空气敏感，应用方面同样存在不少局限性。高于 40 K 以上的超导体又被称之为高温超导体，铜氧化物和铁基超导体，是目前发现了仅有的两大高温超导家族。尽管人们在单质金属、合金、氧化物、甚至有机物中都发现了超导电性，人们一直渴望寻找到室温下的实用超导体。关于室温超导的梦想，一直没有间断过！美国、中国、日本等国科学家都曾先后立项探索室温超导体，日本更是提出了寻找 400 K 以上超导体的远景目标。图5. 典型超导材料发现的年代和临界温度 5. 室温超导有可能实现吗？寻找室温超导之路是十分艰难坎坷的，百余年来，无数材料科学家付出了许多心血。到近年来，几乎平均每个月都有新超导体被发现，这些超导体有的被后续重复实验证实，有的则无法重复出来，有的是乌龙事件，还有的是学术造假行为。如前所述，判断一个材料是否超导体，必须同时具有零电阻效应和完全抗磁性两大特征，电阻不降到零或抗磁性很差都不能 100% 断定是超导。历史上，有多个“超导体”因为没有确切证据，而被科学家戏称为“可疑超导体”，简称 USO (Unidentifided Superconducting Objects) ，和传说中的 UFO 有的一拼。这些 USO 中，有的宣称达到了 200 K 以上甚至 400 K 的超导电性，却从未被更多的科学实验检验过。图6.一些可疑超导体为了谋取个人利益，一些科研工作者甚至铤而走险，不惜造假发论文。例如一位叫 Jan Hendrik Schön 的德国人，就曾在 2001 年间疯狂灌水，宣称在 C 60 等材料中发现 52 K 以上的高温超导电性以及其他一系列的电子器件应用，其论文产出效率达到了每 8 天一篇的速度！最终被科学家发现他几乎所有论文均造假， Science 杂志于 2002 年撤稿 8 篇， Nature 杂志于 2003 年撤稿 7 篇，其他学术期刊也纷纷撤稿数十篇。他的母校实在看不下去，把他博士学位撤销了，尽管后来双方又反复打官司，最终在 2011 年 9 月终审决定还是撤销学位。这桩科学丑闻轰动了全世界，他本人也被成为“物理学史上 50 年一遇的大骗子”。打开谷歌（这种事情不能靠度娘了），键入“ room temperature superconduct ”，你将得到 661000 个搜索结果。可见，人们对室温超导体的关切程度之热。英文维基百科同样给出了几个“室温超导体”的例子，其实 2000 、 2003 、 2012 、 2014 等年里都有正式的科研论文发表，号称寻找到了“室温超导体”。一些网站上经常曝出各种高临界温度的超导体，如室温下的铜氧化物超导体、室温下的金属合金、 700 K 超导的碳纳米管等等。然而，这些实验报道，无一例外，都从未被重复实验确认过。当然，更多的是，这些报道的实验数据都极其粗糙甚至低劣，难以被任何一个有科学良知的人信服。图7.几个报道的所谓“室温超导体” 可见，尽管大部分科学家都坚信室温超导体的存在，但真正要 100% 确认一个室温超导体，却从来不是件容易的事儿。和实验物理学家的小心谨慎不同，理论物理学家的预言往往比较大胆。在不违反已知物理原理基础上，理论预言可能的室温超导体还是不少的，其中典型代表之一是金属氢。我们知道，氢在常压下为气体，倘若不断施加高压，氢会被液化，而后固化，再进一步压缩氢原子之间的间距，最终会变成金属化的氢。金属氢具有非常高的热振动能量，可以提供高温超导电性形成所需要的媒介，很可能就是室温超导体。令实验物理学家郁闷的是，他们不断努力改进实验装置，通过金刚石对顶压砧把压力提高到了 325 万个大气压，固态金属氢终于在 2015 年被成功实现。如此高的压力，已经接近地心内部压力 (360 GPa) 了，这时氢分子早已被打断成了单个氢原子，但却没有发现超导电性！十分有趣的是，包括中国的研究人员在内的科学家还从理论上预言氢的化合物 H 2 S-H 2 体系在高压下可能实现 191 K 的高温超导，将突破铜氧化物中 164 K 的临界温度记录。同在 2015 年，德国科学家 A.P. Drozdov 等人宣称在硫化氢中发现了 203 K 的超导电性，距离 300 K 的室温，几乎一步之遥。只是，条件同样非常苛刻——要在 200 万个大气压下 (200 GPa) 才可以。实验技术难度非常之大，要在低温状态下把极其容易爆炸的硫化氢通入金刚石压砧装置，还要能够在超高压下测量其电阻和磁化率。论文于 2014 年 12 月 1 日贴到预印本网站 arXiv ，历经半年多后才投稿到了 Nature 杂志上。据说，为了避免前车之鉴，这半年时间内， Nature 杂志预先请了一个专家团到德国的实验室去，要求查看所有的原始实验记录，并实地重复出实验结果。在保证零电阻结果可靠性之后，专家团还要求他们进行了完全抗磁性的测量，最终确立了 200 K 以上超导的准确性，才允许投稿，并且花了近一个月时间审稿才被接收。后来，论文中的若干现象被日本和中国科学家重复实验证实，科学界才慢慢接受这个结果，在此之前，几乎所有人对 Drozdov 的学术报告都反应显得冷淡。 200 K 超导，看上去很美，但在如此高压下却难以实用。而且，我们熟知的臭鸡蛋味硫化氢 H 2 S ，在两个金刚石对顶砧中间承受如此巨大的压力，已经变成新的 H 3 S 结构。话说压个屁屁就超导，屁也不是那个屁了。至此，寻找常压下的实用型室温超导体，仍然是个梦。图8.硫化氢在高压下超导和金属氢的高压制备 6. 是室温超导来了，还是狼来了？ 2016 年是高温超导发现 30 周年，随着铁基超导、硫化氢超导等的被发现，寻找室温超导似乎已经水到渠成。新的室温超导体仿佛已经向人类发出了召唤，同时却像犹抱琵琶半遮面。 2016 年 3 月 4 日，一个叫 Ivan Zahariev Kostadinov 的人在 arXiv 贴出了一篇题为“ 373 K 超导体”的论文。令人奇怪的是，作者的单位就叫做“私密研究所 -373 K 超导体”，一查才发现原来是他注册了一个公司就叫做“ 373 K 超导体”！更令人狐疑的是，通篇论文未提该“超导材料”的化学式或者合成方式；尽管都有零电阻和抗磁性的实验数据，而且这些数据“看起来特别真实”，数据质量却非常糟糕，不少所谓“磁悬浮”的图片都用来当做证据之一。或许他有理由说正在申请专利，准备挣大钱，不方便透露配方；或许他有理由说这只是初步的实验结果或部分可以拿出来的结果。但在绝大多数专业从事超导研究人员看来，这不是一篇合格的学术论文，尽管笔者多年前多次在正式期刊上发表了多篇学术论文，但不足以说明这篇论文的真实性。加上多年前的多个乌龙和造假事件，在这种虚晃一枪的报道面前，又有何种理由相信呢？图9. arXiv:1603.01482和 arXiv:1606.09425报道的“室温以上超导实验证据” 无独有偶，就在 2016 年 6 月 30 日，又有德国的 Christian E. Precker 等人在 arXiv 贴出了关于石墨晶体中存在 350 K 超导迹象的论文。相比 3 月份的论文，这篇论文数据显得更为详实系统，似乎预示着室温超导的发现不远了。这次不同是，他们详细指出样品来自巴西某矿产的石墨晶体（是不是广告另说）。理论上，石墨烯中是否存在室温超导电性，一直以来是争议的一个焦点之一。因为石墨烯中电子运动速度极快，甚至需要用相对论化的狄拉克方程来描述，而不是简单的薛定谔方程，那么一旦实现超导，就可能意味着很高的临界温度。不过实验上并不是那么顺利，在碱金属掺杂的少层石墨烯中仅发现 4.5 K 的超导电性，在碱土金属掺杂的石墨中最高发现 11.5 K 的超导电性，距离室温超导都相去甚远！不过，这次论文作者说， 350 K 超导迹象是在室温 300 K 之上，以前大伙儿只是没注意到如此高温度而已。细读这篇论文，就会发现结论并非那么可靠，——因为所有的实验数据就没有出现真正意义上的零电阻态，完全抗磁性也没有！作者所谓的“超导证据”，只是电阻在 350 K 存在一个轻微的下降，并会响应磁场的变化，这种可能性其实有很多很多，完全可以和超导没有半毛钱关系！查阅以前的文献可以发现，早在 2013 年 1 月 18 日同一个德国研究组的 T. Scheike 等人就报道过了石墨烯中 400 K 的“超导迹象” 。据德国其他超导研究人员反映，没有一个人相信他的结果，而且大伙儿都懒得去相信他。如今再整一出，估计结果还是一样——信不信由你。看来，与其说 2016 年里室温超导来了，还不如说是狼来了。室温超导之路，漫漫其修远兮。期待真的有室温超导被发现的哪一天。或许那时，我们可以在家里舒舒服服地躺在室温超导磁悬浮沙发上休息，也可以午饭后坐上时速 3000 公里以上的真空管道超导磁悬浮列车去巴黎喂个鸽子，还可以在办公室随时弄个核磁共振成像监测身体内部的变化。毕竟，梦想还是要有的，万一哪天被实现了呢？图10.未来概念家居——室温超导磁悬浮沙发参考文献：沈文庆，封东来主编，十万个为什么，第六版物理卷，少年儿童出版社，上海 (2013). I. Z.Kostadinov, arXiv:1603.01482. C.E. Precker et.al., arXiv:1606.09425. 张裕恒，超导物理，中国科学技术大学出版社，合肥（ 1997 ） . 章立源，超越自由：神奇的超导体，科学出版社，北京（ 2005 ） H. KamerlinghOnnes, Leiden Comm. 120b, 122b,124c (1911). W.Meissner and R. Ochsenfeld, Naturewissenschaften 21 , 787 (1933). J.Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer, Phys.Rev. 108 , 1175 (1957). 罗会仟 , 周兴江 , 神奇的超导 , 现代物理知识 ,24(02), pp 30-39, (2012). J.G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B 64 ,189 (1986). 赵忠贤等， Ba-Y-Cu 氧化物液氮温区的超导电性，科学通报 32 , 412 (1987). Y.Kamihara et al. , J. Am.Chem. Soc. 130 , 3296 (2008). Z.-A. Ren et al. , Chin.Phys. Lett. 25 , 2215 (2008). J.Robert Schrieffer and James S. Brooks, Handbook of High-Temperature Superconductivity,Springer (2007). P. Dalladay-Simpsonet.al., Nature 529 , 63–67 (2016). A.P. Drozdov et al. , Nature 525 , 73 (2015). T.Scheike et al. , Carbon 59 , 140-149 (2013). 【致谢】本文主要受知社学术圈、科学网的提醒，以最近发生的“室温超导事件”做一个点评，文章首发于《科学大院》微信公号，欢迎转发（转发请注明出处）！本文内容得到以下人员帮助，在此一并致谢：科学网博主姬扬老师，三月关于373 K超导的博文，“ 谈谈室温超导体（373K Superconductor） ”；物理所超导材料探索研究组任治安老师学术报告，“比想象更普遍——超导之材料篇”；朋友圈里来自歌德大学的默罕默德、浙江大学路欣等若干朋友的精彩点评；【作者注】本文主体内容发布在中科院官方科普微信公众号“科学大院” ，欢迎扫描以下二维码关注！; 个人分类: 超导小时代|23193 次阅读|30 个评论

谁来科普一下超导机理和历史？: 热度 4 xcfcn 2013-5-4 09:57; 我知道曹天德和黄秀清两位对此很有心得。另外罗会仟博士也进行了很好的科普：室温超导体和神奇的超导。但我对超导的最新机理进展、其真正的难点以及研究的历史八卦很感兴趣。不知有谁能科普一下？谢谢先。; 个人分类: 杂论|1626 次阅读|4 个评论

将可能产生室温超导？: swingbj 2012-5-22 21:24; 最近看到科技部网站上看到一则信息，很感兴趣，想看看到底是怎么回事，找了一篇好像是与之对应的文章看了 http://www.sciencemag.org/content/335/6076/1600.abstract ，只看到其中利用高速脉冲激光定位超导中的微观反应的研究。其他的信息不知怎么来源的，请哪位高手指点迷津。科技部信息原文如下：据安莎社4日报道，意大利研究人员在超导研究方面取得突破。来自Cattolica del Sacro大学的Stefano Dal Conte教授和他的团队通过利用高速脉冲激光定位超导中的微观反应，发现可以利用超导技术在全球范围内远距离无损耗传输太阳能板产生的电能。这一研究发现刊登在最近出版的《科学》杂志上。专家们认为，这一发现将可能产生室温超导，将会大大提高远距离输电效率，有望使从位于撒哈拉沙漠的太阳能发电厂向拉丁美洲的用户传输电能成为可能。; 个人分类: 生活点滴|1120 次阅读|0 个评论

寻找现实中的哈利路亚山——室温超导体: 热度 1 Penrose 2010-5-29 17:52; 寻找现实中的哈利路亚山室温超导体电影《阿凡达》中潘多拉世界的哈利路亚悬浮山电影《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之一是一座座悬浮在云端的哈利路亚山。这些山爬满粗壮的藤蔓、壁挂飞天的瀑布、容纳神秘的大鸟，并且时常在空中移动，是何等地神奇！这其实是一种超导磁悬浮现象，电影中这么给出了解释：这些山体含有大量的超导矿石，在神秘母树区域的强大磁场作用下，这些超导矿山得以悬浮在空中。超导磁悬浮与超声生物悬浮在地球这个现实世界中，悬浮现象实际上在身边比比皆是。如翱翔在天际的飞鸟和畅游在水中的鱼虾，它们利用排开液体或者气体形成浮力与自身重力相平衡而可以悬浮。气垫船、鹞式飞机、直升飞机、火箭推进器等向下喷出气体也可以悬浮在空中，布满静电的气球可以悬浮在电容器中，处于超导态的超导体可以把小磁铁悬浮起来，用超声波也可以悬浮起液体甚至小昆虫。即我们可以用气、声、磁、电磁等外界作用力抵御物体的重力，从而实现悬浮现象。用光照射物体产生所谓光压也可以实现光悬浮，太阳帆飞船就是设想中的一种利用光压进行远距离太空航行的飞行器。对于微观世界的原子，如果用六束激光从不同方向将其捕获，可以使得它大大降低热振动而冷静下来，似乎它是悠哉地享受悬浮世界的美妙。然而，要实现哈利路亚山那么壮观的悬浮山景象，似乎超导磁悬浮是首选的方法，因为超导体和哈利路亚山一样也是如此地神奇（也许卡梅隆也是这么想的？）。超导体的神奇之处在于，一旦进入超导态，超导体将从电、磁、热三个方面独立表现出一些奇妙特性。超导态下超导体是没有电阻的，即处于零电阻状态，如果你做一个超导环路并感应出电流，那么它可以持续不断地保持下去；超导体一旦进入超导态，那么它会把体内的磁通线排出去，即超导体内磁场为零，我们称之为完全抗磁性；超导体从正常态转变到超导态时，其电子比热会出现一个跃变，即电子整体凝聚到了一个低能态。超导磁悬浮利用的原理正是超导体的完全抗磁性：处于磁场中的超导体一旦进入超导态，它将会排出体内的磁通线，即对磁场产生一个作用力，而磁场对超导体也存在反作用力，永磁体附近磁场的大小约与到磁体的距离立方成反比，所以越靠近磁体将大大增加超导体受到的作用力，因此在一定高度就可以达到与重力的平衡，也就实现了磁悬浮。乍一看超导磁悬浮似乎很容易实现，事实上这里有个重要的前提，那就是超导体必须处于超导态，而超导态往往需要在低于某个温度下才能实现，这个温度称之为超导临界温度（Tc）。超导临界温度有多低？第一个发现的超导体是金属汞，它的Tc只有4.2K，也就是-269℃，目前最高的超导临界温度记录是约164K，也是-109℃，而人类生活的环境（室温）一般在300K左右，即0~40℃。和人类生活的环境相比，超导临界温度还是太低太低，这也就是超导体应用的最大瓶颈。《阿凡达》里的潘多拉星球看起来和地球环境温度差不多，不过大气的气氛不同，而在自然环境中悬浮的哈利路亚山则意味着室温超导体的大量存在。地球上已知的超导体都因为临界温度太低而难以大规模应用，所有人类才跑到外星球疯狂地掠夺室温超导矿石而不顾破坏那威人的生存环境，当然这是科幻。生活在我们这个蓝色地球上的人类自从1911年发现超导现象以来，就在不断地寻找和研究超导体，一方面试图研究清楚其超导机理，另一方面则试图不断地提高临界温度并探索其可能的应用，而室温超导可谓是超导材料探索的终极梦想。目前已经发现的超导体及其代表材料结构 1908年，荷兰莱顿实验室的K.Onnes借助范德瓦尔斯模型原理把最后一个最难液化的气体氦气给液化，从而得到了当时最低的温度4.2K。1911年当他测量金属汞在如此低的温度下电阻时，惊奇地发现其电阻降到了仪器可测量精度的最小值以下，即可认为电阻为零，这就是超导现象的发现。1933年德国物理学家W.Meissner发现了超导体的完全抗磁性又称Meissner效应。零电阻和Meissner效应是判断检验超导体的两种独立特征。在此后的半个世纪里，人们又陆续发现元素周期表中大部分元素单质都可以超导，许多金属合金在低温下也具有超导电性，但Tc都要低于23.2K。需要说明的是，所有的超导体一般分为两类，第一类超导体是零电阻和Meissner态同时存在并能同时被外加磁场破坏的；第二类超导体则存在处于超导态和正常态之间的混合态，即Meissner态在很低磁场就被破坏，磁通线可以部分穿透进入超导体并按照一定的规则排列，而此时仍有部分电子处于超导态也即还有零电阻效应，直到更高的磁场下才能破坏零电阻效应；大部分超导体都属于第二类超导体，处于混合态的超导体仍然具有部分抗磁能力，也可以实现磁悬浮。1957年，J. Bardeen、L. N. Cooper和J. R. Schrieffer成功建立了常规金属合金超导体的微观理论BCS理论。BCS理论认为当金属材料处于低温状态时，材料中能量较高的巡游电子将借助周期排列的原子振动交换的能量而两两配成电子对（又称Cooper对），这些电子对将集体关联共同凝聚到一个低能态超导态，要破坏电子对就必须付出足够的能量，即超导态和正常态之间存在一个能隙，因此超导态在低外磁场及低温下是稳定存在的有序量子态。配对以后的电子对在运动中各自受到的散射将相互抵消，相当于其在行进中不受到阻碍，即实现了零电阻状态。同时材料中所有电子对之间的集体关联效应能够把外磁场屏蔽，即实现了完全抗磁性。此外，随着超导体承载的电流密度增加，电子对将可能获得超过能隙大小的能量并被拆散，超导态也将随之破坏，我们把材料可承载的最大电流密度称之为临界电流密度。BCS理论的关键在于电子配对且存在能隙，但能隙大小实际上和电子分布结构以及原子振动能量密切相关。要实现高Tc就必须借助更高能量的原子振动方式，而若原子振动过强那么材料的微观结构就会失稳而塌缩。因此人们预言在BCS理论框架下，Tc不可能超过30K。而确实在随后的许多年里，虽然发现了不少新的超导体，但都没有打破这一预言，这让许多人失去了对超导研究的兴趣和希望。直到1986年，似乎山穷水尽的超导材料研究才出现柳暗花明又一村，Bednorz和Mller在以绝缘体为母体的铜氧化物材料La2BaCu4Ox中发现了超导电性，其Tc高达35K，打破了BCS理论的预言上限。人们紧接其后在Y-Ba-Cu-O、Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O、Hg-Ba-Ca-Cu-O等诸多铜氧化物材料中发现了超导电性，并在短短的十年时间把Tc记录提高了100K以上，达到最高的164K，这类超导体于是被称为铜氧化物高温超导体。高温超导的发现过程，诸多华人和中国科学家都做出了重要贡献，如朱经武、吴茂昆、赵忠贤、盛正直等。如此激动人心的发现引起超导界乃至整个凝聚态物理领域的一轮前所未有的壮大研究热潮。当然，除了铜氧化物超导体外，人们还在其他许多材料中发现了超导电性，诸如重费米子超导体、超晶格超导体、有机超导体、磁性超导体、多带超导体等，在其他金属氧化物如钛氧化物、铌氧化物、钌氧化物、钴氧化物等材料中同样发现了超导电性，只是这些超导体的Tc不如铜氧化物高，但是在这些超导体中发现丰富而奇异的物理性质同样引起许多科学家的兴趣。铜氧化物高温超导体发现初期，人们对它的应用前景充满厚望。尤其是液氮温区以上的高温超导体，因为这就可以不再依靠昂贵的液氦提供低温，大大降低了使用成本而使广泛推广成为可能。经过20多年的努力，铜氧化物高温超导材料的质量和性能也不断提高，而为研究其物理性质的诸多实验手段本身也取得了显著的提升并观察到了许多新奇的物理现象。令人颇感失望的是，人们发现铜氧化物高温超导体很难得以大规模应用。因为这类材料属于极端第二类超导体，混合态下的物理性质非常复杂多变，而且临界电流密度较小，不适合用于承载大电流，而从力学角度来看作为陶瓷材料的铜氧化物在柔韧性和延展性上都远远不如金属材料，在材料机械加工等许多方面存在严重的困难。尽管应用铜氧化物高温超导体在高敏感磁信号探测和微波通讯等方面取得了重大的进展，但作为超导最直接的应用超导输电线、超导强磁体和超导磁悬浮等方面，铜氧化物材料仍然不是首选。当然，科学家们并不仅仅满足于新超导材料的应用价值，对于铜氧化物上呈现的各种新奇的物理性质同样引起了人们的强烈关注，而对这些问题的解答过程发起了对现有凝聚态物理基础理论体系的挑战。和BCS理论处理的金属合金超导问题不同，铜氧化物材料中的超导问题具有许多独特性。它的晶体结构具有典型的准二维特性，导电层就主要发生在Cu-O平面上，超导态下载流子虽然还是配对的电子对，但原子振动提供的能量尺度不再是电子配对的来源，电子配对的能隙在空间上也不再是各向同性的而是各项异性的，在某些方向存在能隙为零的节点，一些材料甚至远在Tc以上就已经打开了一个能隙，而正常态下虽然仍然具有金属导电性却和传统的金属行为完全不同。总之，人们对铜氧化物研究的越多越深入，越发感到困惑不解。于是，一些科学家建议回到铜氧化物超导体母体来认识问题的本质。铜氧化物母体是一个按照传统意义上理解本应该是金属的材料，但是它反映的确确实实是一个绝缘体的行为电子在其中被强烈地局域化了，只能间接地耗费大量能量来进行跳跃运动，因而随温度降低电阻值将急剧升高甚至发散到无穷大。研究表明，这是因为材料中Cu位置上的电子和电子之间存在很强的关联效应，这让处于同一个位置上的两个电子之间存在非常强的库仑排斥能，这让它很难进行跃迁。而通过往母体中掺杂空穴或者电子（这是逐渐进入超导态的条件，掺杂后将不再是绝缘体），就会使得Cu位置上邻近的O位置形成空穴或者电子，这将削弱电子和电子之间的关联效应，这样Cu位置上的电子就可以轻松地间接借助O位置而向前运动了。人们同时还关注到，铜氧化物母体实际上是一个反铁磁绝缘体，也就是说Cu位置上相邻的电子的磁矩排列是大小相同方向相反的，它们之间存在所谓的反铁磁关联效应。而掺杂的效应也使得反铁磁关联被削弱，而最终超导态得以出现，并只留下一些反铁磁的涨落效应。不少理论和实验暗示，铜氧化物超导体中残存的反铁磁涨落将是电子配对的主要来源，至于其他一些新奇的性质可能与材料结构的复杂性以及其他杂质或者缺陷效应等相关。这类解释的基本原因之一在于反铁磁相互作用的能量尺度要远远大于原子振动产生的能量，如果以反铁磁背景涨落相互作用提供电子配对媒介，那么超导临界温度完全可以达到100~200K。为了验证对铜氧化物超导问题的理解和认识并进一步推动超导应用的前进，人们寄希望于找到其他可以和铜氧化物的Tc相比拟甚至更高Tc的超导材料。设想中的中国超导磁悬浮列车超导研究之路总是充满着惊喜，2006年5月，日本的细野秀雄研究小组在探索新型透明导电材料中，偶然发现LaOFeP 这类氧化物中可以出现Tc=5K左右的超导电性。2008年1月，该研究小组成功在F掺杂的LaOFeAs材料中发现了Tc高达26K的超导电性，一下子吸引了诸多超导研究专家的注意力。中国科学家在得知此消息的第一时间内对该系列超导体进行了详细地探索和研究，在短短的数月时间，不仅找到了许多新体系的超导体而且还把Tc翻了一番，达到了56K。这类超导体被称为铁基超导体，是继铜氧化物高温超导体之后发现的第二个高温超导家族。人们用通常被认为会破坏超导电性的铁磁金属做成的化合物里，得到了如此意外的惊喜。通过近两年来超导领域科学家的努力（当然包括诸多华人和中国科学家的杰出贡献），人们发现铁基超导材料和铜氧化物存在许多类似之处。如铁基材料结构也是以层状结构为基础，导电一般都发生在Fe-As层上，最有意思的是其母体也是反铁磁体！这使得人们找到了研究铜氧化物超导体的一个很好的参照物，通过两者的对比研究，也许高温超导机理会一下子变得清晰许多。更有趣的是，铁基超导体其Fe-As层并不如铜氧化物中Cu-O层那么平坦，因此改变晶体结构和掺杂不同载流子浓度同样可以改变其Tc而呈现许多丰富的物理现象。另外，现在发现的铁基超导体母体已有六七种，而大部分母体中任何一个元素都可以被其同族或者类似电子结构的元素替代，甚至还可以在某些原子位置上换成一个子结构形成更为复杂的铁基超导材料，这就使得铁基超导家族要比铜氧化物家族大得多。因此，我们在铜氧化物看到的许多令人困惑的物理现象或许都有可能在铁基材料中找到相应的参照，这种相互印证的研究可以对两者的机理问题认识更为深入。已有的研究表明，铁基超导体的存在几类不同的空穴和电子载流子，它们之间可能通过交换反铁磁涨落相互作用而实现配对，即反铁磁涨落在铁基超导中仍然扮演着极其重要的角色。铜氧化物和铁基超导体的相继发现使得人们对超导材料的研究重新点燃了希望。如何寻找更高Tc的超导体？铜氧化物和铁基超导体的研究或许给我们提供了一个可能的线索：电子或许可以通过交换反铁磁涨落相互作用配对而实现较高临界温度的超导电性，只要反铁磁涨落具有足够强的能量尺度，那么就有获得足够高Tc的可能性！当然，要实现室温超导的终极梦想，则势必需要相当强的反铁磁涨落效应，而即使就在目前已知的无数个材料中寻找到反铁磁涨落很强的几个，还是有希望的。退一步而言，固体材料中比反铁磁相互作用强度还要强的多的磁相互作用也大有所在，而除磁相互作用之外更有其他不少强的相互作用，也许有一天我们会发现电子能够借助这些相互作用而配对，从而获得更高的超导临界温度，那时我们离室温超导的梦想就不远了。还有一点令国人值得骄傲的是，在铜氧化物和铁基超导的研究进程中，华人和中国科学家的贡献已经越来越明显和重要，他们的研究工作也不断受到国际同行的赞誉和尊敬。超导研究历史上已经有5人获得诺贝尔物理学奖，我们完全有理由相信，未来的超导研究之路上万众瞩目的焦点之一也许就是中国人。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，那是何等地美妙和惬意！人体悬浮瑜伽与悬浮云沙发; 个人分类: 水煮物理|10339 次阅读|25 个评论

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标签: 室温超导

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