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中國高溫超導研究領跑世界

2019-10-14 10:37:06  來源:科技日報

剛剛過去的黃金周,中國科學技術大學超導研究團隊除了收看70周年慶典之外,每天依然到實驗室里工作。

“下一個可以用來劃分時代的材料,可能就是室溫超導體。”在中國科學技術大學教授吳濤眼里,他們所從事的超導研究充滿魅力。“如果發現室溫超導體,我們出門可以坐上懸浮的超導車,甚至手機、手提電腦充一次電,就能用上好幾個月。”正是帶著這樣的夢想,中國科學技術大學超導研究團隊在這一領域里已經堅守了20余年。

突破超導研究的禁區

超導,是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度,或超導轉變溫度以下時,電阻突然消失的現象。在超導研究的歷史上,已經有10人獲得了5次諾貝爾獎,其科學重要性不言而喻。

1911年,荷蘭科學家發現水銀在極低溫條件下的超導性,開辟了科學研究的新領域。1986年,德國科學家與瑞士科學家發現了臨界轉變溫度為35K的銅氧化物超導體。

令科學家困擾的是,超導體的轉變溫度不能超過40K(約零下233攝氏度),這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

40K的極限溫度能否被突破?在兩名歐洲科學家發現以銅為關鍵超導元素的銅氧化物超導體后不久,包括中國科學家在內的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉變溫度提高到液氮溫區以上,突破了麥克米蘭極限溫度,使其成為高溫超導體。

“銅氧化物高溫超導體家族有兩個主要缺陷,作為金屬陶瓷材料加工工藝嚴苛,綜合成本高,影響廣泛應用。此外,銅基超導并沒有解決高溫超導電性機理豐富的物理內涵。”吳濤告訴科技日報記者,要揭開高溫超導的原理,廣泛應用,尋找到臨界溫度更高的超導體勢在必行。

鐵基化合物由于其磁性因素,曾一度幾乎被國際物理學界斷言為探索高溫超導體的禁區。

2008年3月,中科大陳仙輝研究組和中科院物理所王楠林研究組同時在鐵基中觀測到了43K和41K的超導轉變溫度,突破了麥克米蘭極限,證明了鐵基超導體是高溫超導體。緊接著,中國科學家團隊不僅率先使轉變溫度突破了50K,并發現了一系列50K以上的超導體,也創造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄,被國際物理學界公認為第二個高溫超導家族。

尋找更高轉變溫度的超導材料

突破了麥克米蘭極限之后,全世界科學家對超導材料的探索又一次陷入了迷茫,在高影響因子的期刊上發表高溫超導論文變得愈發困難。

中科大的超導團隊卻一直堅守著這塊陣地,無數次地制備、觀察、放棄、重新開始……為了撥開超導研究的迷霧,他們提出了“新型二維層狀非常規超導材料”這個新的研究方向。

吳濤告訴記者,由于銅氧和鐵基超導體均為層狀結構,承載超導電性的關鍵結構單元分別是CuO2面和FeAs/Se層,被稱作“超導基元”,目前確認的非常規超導體大都表現出此種結構特點。

“這些材料與通常的超導體在超導機理上有所不同,傳統超導體的機理主要是基于電—聲子相互作用的BCS理論,二維層狀非常規超導材料的超導機理一般被認為不能用BCS理論解釋。”吳濤認為,對銅氧化合物超導體及鐵基超導體的微觀機理的了解,會極大推動凝聚態物理學的新發展;同時,一旦發現更適于應用或具有更高臨界溫度的超導體,便可能像集成電路那樣成為帶動世界經濟社會發展的新增長點。

目前,比較公認的超導研究核心重點有兩個:第一個是新型(高轉變溫度)非常規超導材料,第二個是高溫超導(以及非常規超導)的機理問題。

“我們依據二維結構單元與超導電性之間的普適關聯性,以構筑二維層狀超導單元為基礎,通過塊層、異質結設計等研究思路來探索非常規超導電性。”吳濤告訴記者,作為國家重大專項,在實施兩年多的時間里,已經利用電化學插層法成功合成出兩種新的鐵硒基高溫超導材料,并且發現這些新的超導材料具有與銅基高溫超導體相似的超導預配對現象,還發現了二維結構對鐵硒基超導體中高溫超導的形成具有重要的影響。“這些新的發現將為建立普適的高溫超導機理提供關鍵的實驗證據。”吳濤表示,在新的研究方向上,可能有助于發現新的具有超高臨界場和臨界電流密度的實用型超導體。

探索更適于應用的超導體

其實,超導已經開始走進我們的生活。如高溫超導濾波器已被應用于手機和衛星通訊,并明顯改善了通信質量;超導量子干涉器件(SQUID)裝備在醫療設備上使用,則大大加強了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個超導示范變電站也已在我國投入電網使用……

在吳濤看來,他們的研究對于國家重點發展的超導量子計算領域或將有推動作用。“它有可能應用到新型低能耗、自糾錯的拓撲量子計算領域。”吳濤說。

目前,超導體還沒有達到所期望的廣泛應用,主要原因是仍有兩個重要問題亟待解決:一是超導應用的經濟性;二是常溫常壓下的超導材料仍未被發現。

“因此突破現有超導材料轉變溫度的限制,發現具有更高轉變溫度的新型超導,蘊含著重大科學意義。”吳濤對中國超導研究的未來充滿希望,“超導研究已經扎根于中國,我們期望通過努力,獲得二維非常規超導體新材料探索和機理研究方面的重大突破,繼續保持我們在高溫超導材料探索和相關研究的國際領先地位。”

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