文|腦極體 藏狐
最近科技圈流傳的大新聞,大家都知道了吧?
簡單來說,美國物理學(xué)會(huì)的三月會(huì)議上,來自羅徹斯特大學(xué)的Ranga Dias宣布,他們團(tuán)隊(duì)在近環(huán)境壓強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。
這個(gè)消息在中文互聯(lián)網(wǎng)流傳之后,很快就有了詳細(xì)的解讀,業(yè)內(nèi)人士的普遍看法是:先觀望一會(huì)兒。
原因有兩個(gè):
一是這個(gè)研究本身還不確定,有學(xué)者對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了質(zhì)疑,認(rèn)為樣品過于均勻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果目前還沒有被其他課題組復(fù)現(xiàn)。
二是這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶頭人有“前科”,Ranga Dias在2020年發(fā)表于《自然》上的論文被撤稿了,多個(gè)研究組試圖重復(fù)該實(shí)驗(yàn),結(jié)果都不理想。Ranga Dias不披露原始數(shù)據(jù),后來又說自己論文中合成的金屬氫“消失”了,引發(fā)大家的一致抗議,認(rèn)為“ Something is seriously wrong”。
所以,室溫超導(dǎo)雖然是“諾獎(jiǎng)級(jí)”的工作,但說Ranga Dias已經(jīng)摘下了“圣杯”,還為時(shí)過早。
這件事并不復(fù)雜,三言兩語就能說完。但有趣的是,明明諾獎(jiǎng)八字還沒一撇,還是大多數(shù)人都不了解的凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,卻引得中國科技圈一片焦慮,大眾媒體也積極報(bào)道。
怎么就引起了轟動(dòng)呢?
除了超導(dǎo)領(lǐng)域本身的重要性之外,還是因?yàn)檫@條新聞,激發(fā)了當(dāng)下國際科技競賽的普遍焦慮。
畢竟前不久,人工智能領(lǐng)域的“皇冠”,剛被OpenAI用ChatGPT摘下,通用人工智能眼看著有希望了,現(xiàn)在物理學(xué)的“圣杯”,又搶先被美國科研人員拿走了?
在廣泛流傳的一張網(wǎng)圖里,連認(rèn)證的中科院研究員,都感受到“降維打擊”了,讓很多人擔(dān)心,咱們?cè)诨A(chǔ)重大突破上,不會(huì)又被拉下一大截吧?
同班同學(xué)剛考了個(gè)語文的年級(jí)第一,你正摩拳擦掌、懸梁刺股,預(yù)備下次考試好好發(fā)揮呢,人家又捧回來一個(gè)國際物理競賽金獎(jiǎng),直接保送了??刹痪图ぐl(fā)了咱們擔(dān)心落后的“焦慮情緒”。
只能說明,對(duì)于基礎(chǔ)科技創(chuàng)新,大家真的太焦慮了,一有風(fēng)吹草動(dòng)就如臨大敵,忽略了咱們中國在超導(dǎo)領(lǐng)域,也是非常優(yōu)秀的。
目前,美、日、中是全球超導(dǎo)領(lǐng)域的領(lǐng)先者。2008年,《科學(xué)》雜志就以“新超體把中國物理學(xué)家推向世界最前沿”為題,認(rèn)為 “中國如洪流般不斷涌現(xiàn)的研究結(jié)果,標(biāo)志著在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,中國已經(jīng)成為一個(gè)強(qiáng)國”。
所以大家先放下焦慮,放下?lián)鷳n,我們來聊聊超導(dǎo)究竟是什么?為什么能成為“諾獎(jiǎng)級(jí)”工作?對(duì)大眾生活和科技產(chǎn)業(yè)能帶來哪些影響?
踏破鐵鞋無覓處,超導(dǎo)竟在我身邊
凝聚態(tài)物理?超導(dǎo)性?這些專用名詞,是絕大多數(shù)普通人日常很少會(huì)涉獵到的。所以咱們先不去掰扯復(fù)雜的理論和技術(shù)概念,先來說一個(gè)有趣的事情:超導(dǎo)就在你身邊。
超導(dǎo),就是“超級(jí)導(dǎo)電”的意思,具有這種超級(jí)導(dǎo)電性的材料,就是超導(dǎo)體。之所以能超級(jí)導(dǎo)電,源于電阻為零的特性。
九年義務(wù)教育常識(shí):電流穿過電子設(shè)備/電線環(huán)路時(shí),會(huì)遭遇電阻,導(dǎo)致一些能量以熱量的形式而損失掉。你的手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或充電時(shí)會(huì)發(fā)熱,變成暖手寶,就是這個(gè)道理。
而超導(dǎo)是零電阻,所以電流可以在超導(dǎo)體中沒有阻力、熱損耗、衰減地流動(dòng)。
荷蘭的理論物理學(xué)家保羅·埃倫費(fèi)斯特說過,超導(dǎo)環(huán)路里是“永不消逝的電流”。所以,有電的地方,就有超導(dǎo)的用武之地。
今天,超導(dǎo)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟甚至是商業(yè)化了。我們從兩個(gè)場景來看:
一是強(qiáng)電應(yīng)用。即在大電流或強(qiáng)磁場下的超導(dǎo)應(yīng)用。
基礎(chǔ)科研:基礎(chǔ)科學(xué)研究往往需要強(qiáng)磁場的環(huán)境,大型粒子加速器、高能粒子探測器、人工可控核聚變裝置都需要高強(qiáng)度的超導(dǎo)磁體。
能源行業(yè):現(xiàn)階段最高效的特高壓交流輸電技術(shù),需要經(jīng)過變電站,以市電電壓傳輸?shù)礁骷腋鲬?,長距離傳輸會(huì)帶來電能的損失,造成能源浪費(fèi),加重環(huán)境的負(fù)擔(dān)。而零電阻的超導(dǎo)電路,就完全不需要變電站,可以在較低電壓下進(jìn)行高功率傳輸,零損耗地傳輸電能,這對(duì)能源行業(yè)是革命性的變化。
醫(yī)療行業(yè):如今醫(yī)院采用的核磁共振成像儀(MRI),成像清晰度和辨識(shí)度很高,靠的就是超導(dǎo)磁體,14特斯拉以上的超強(qiáng)超導(dǎo)磁體核磁共振成像技術(shù),能夠把人腦中的860億根神經(jīng)元全部清晰地測量出來,為很多疾病提供精準(zhǔn)的醫(yī)療診斷影像。
交通領(lǐng)域:磁懸浮列車大家可能都聽過或坐過,時(shí)速和高鐵差不多,上海浦東機(jī)場的高速磁懸浮列車跑完全程30千米只需8分鐘。如果換成超導(dǎo)磁懸浮,速度還能翻倍。2020年,西南交通大學(xué)已經(jīng)建成了首臺(tái)高速超導(dǎo)磁懸浮樣車,未來乘坐時(shí)速600千米/時(shí)以上的超導(dǎo)磁懸浮高速列車,大家的出行效率會(huì)更高。
當(dāng)然,還有一些與普通人生活比較遠(yuǎn)的強(qiáng)電應(yīng)用。比如量子計(jì)算,超導(dǎo)量子比特技術(shù)幫助打造量子計(jì)算機(jī),取得量子霸權(quán);軍事用途,超導(dǎo)體可以用于開發(fā)高強(qiáng)度電磁脈沖(EMP),用來癱瘓范圍內(nèi)的所有電子設(shè)備;太空探索,超導(dǎo)磁體,超導(dǎo)可控核聚變發(fā)動(dòng)機(jī),為太空旅行、宇宙飛船提供源源不斷的動(dòng)力。
(中車長客正在研制超導(dǎo)電動(dòng)高速磁浮列車)
二是弱電應(yīng)用。即電流小、電壓低的超導(dǎo)應(yīng)用。
普通人日常接觸最多的還是弱電應(yīng)用,比如移動(dòng)通信、家電、智能設(shè)備之類的,這些領(lǐng)域的“超導(dǎo)化”其實(shí)也非常常見。
利用超導(dǎo)的零電阻優(yōu)勢(shì)制作微波器件,可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗,從而提高信號(hào)的識(shí)別度。3G/4G基站用上高性能超導(dǎo)濾波器,可以讓覆蓋的手機(jī)信號(hào)不串號(hào)、不混流量。
大家平時(shí)用的筆記本電腦、手機(jī)、平板,容易因?yàn)樯岵患讯鵂C手、運(yùn)算速度變慢、燒壞主板器件,集成電路芯片越來越小,傳統(tǒng)電路的功耗問題就越明顯。如果能用超導(dǎo)體來制作電子元器件,就不用擔(dān)心CPU發(fā)燒了。
我們都知道,第三次工業(yè)革命的核心是電氣化,物理學(xué)家J.C. Séamus Davis認(rèn)為,特斯拉和愛迪生發(fā)明了電力,徹底改變了社會(huì),而超導(dǎo)將再次徹底改變它。
如今,超導(dǎo)并不只存在學(xué)術(shù)會(huì)議、神秘實(shí)驗(yàn)室、各國智庫報(bào)告里,其實(shí)已經(jīng)來到了我們身邊。
諾獎(jiǎng)收割機(jī),超導(dǎo)百年都在研究什么?
這么一說,你可能會(huì)說,既然3G時(shí)代超導(dǎo)就開始商用了,怎么還能持續(xù)收割“諾獎(jiǎng)”,引無數(shù)物理學(xué)科學(xué)家競折腰呢?
從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,至今不過百年的時(shí)間,就已經(jīng)在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域誕生了60多個(gè)諾獎(jiǎng)(諾貝爾物理獎(jiǎng)),超導(dǎo)這個(gè)更小的分支,就有10個(gè)直接得獎(jiǎng),可見這個(gè)領(lǐng)域非常重要,而且難度大、收獲也大。
那么,超導(dǎo)的百年歷史中,都研究了哪些重要問題?我們就以五次超導(dǎo)研究的諾獎(jiǎng)為脈絡(luò),串聯(lián)起超導(dǎo)的發(fā)展歷史。
1. 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)。
1911年,荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂尼斯在題為《汞的電阻突然迅速消失》的論文中,將零電阻的現(xiàn)象,命名為“超導(dǎo)”,這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究,兩年后就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),所在的荷蘭萊頓大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室,也一度成為世界低溫物理研究中心。
(Heike Kamerlingh Onnes(右)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)者)
2. 超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng)。
1950年,俄羅斯科學(xué)家A.A.Abrikosov、Vitaly Lazarevich Ginzburg和英國科學(xué)家Anthony Leggett提出了超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng),認(rèn)為超導(dǎo)就是一種量子體系中的熱力學(xué)相變。
冰熱了化成水,水熱了揮發(fā)成蒸汽,這個(gè)固體-液體-氣體的過程就叫相變。超導(dǎo)體的電阻值,在臨界溫度下突然下降,而超導(dǎo)熱力學(xué)效應(yīng)的理論,可以用來描述超導(dǎo)相變的許多臨界現(xiàn)象。
這項(xiàng)工作的50年多年后,三位科學(xué)家獲得了2003年的諾貝爾獎(jiǎng),說明搞科研不僅要腦子好使,還得有個(gè)好身體。
3.超導(dǎo)微觀理論。
1957年,伊利諾伊大學(xué)的三位物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗,利用電子配對(duì)的思想解釋了超導(dǎo)的微觀機(jī)制,即某些材料如何在低溫下以零電阻導(dǎo)電,電子之間要相互吸引,需要晶格作為媒介,形成電子對(duì)(Cooper對(duì)),解釋了汞和鉛一類超導(dǎo)體中的超導(dǎo)現(xiàn)象。
憑借這一超導(dǎo)微觀理論,即BCS理論,三位科學(xué)家在1972年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
(晶格使電子產(chǎn)生吸引作用)
4.超導(dǎo)隧道效應(yīng)。
1962年,劍橋大學(xué)的研究生約瑟夫森發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)的量子效應(yīng),兩個(gè)超導(dǎo)體中間放上絕緣體,會(huì)形成“超導(dǎo)隧道電流”,超導(dǎo)電子可以量子隧穿到另一個(gè)超導(dǎo)體中去,加上外界電壓之后,會(huì)產(chǎn)生量子振蕩運(yùn)動(dòng),這一發(fā)現(xiàn)對(duì)研制高性能半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件,有很高的應(yīng)用價(jià)值,獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
5.高溫超導(dǎo)材料。
1986年,IBM的柏諾茲和繆勒在一種氧化銅材料中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)性,可以在35 K(-396 F)的溫度下變成超導(dǎo)體。銅氧化物高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn),將臨界溫度大幅提高,使材料在低價(jià)的液氮降溫環(huán)境下達(dá)到零電阻,極大地拓展了超導(dǎo)應(yīng)用場景。
這種新型材料,給超導(dǎo)研究注入了全新的活力,二人也在次年(1987年)就榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),比發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的“開山鼻祖”昂尼斯的獲獎(jiǎng)速度還快。
(柏諾茲、穆勒1986年6月發(fā)表的第一篇論文)
從這些里程碑的諾獎(jiǎng)成就中,可以看到,超導(dǎo)是一個(gè)百年來碩果累累的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,從理論奠基到落地應(yīng)用的腳步,步履不停,而這個(gè)領(lǐng)域還會(huì)持續(xù)涌現(xiàn)更多的諾獎(jiǎng)得主。
那么,超導(dǎo)還有哪些研究方向是諾獎(jiǎng)的種子選手,中國的研究實(shí)力究竟怎么樣呢?
下一個(gè)超導(dǎo),“諾獎(jiǎng)”的種子選手
目前,超導(dǎo)領(lǐng)域還有很多未完成的“諾獎(jiǎng)級(jí)”工作,等待著各國科學(xué)家們“搏一搏”。
首當(dāng)其沖的,就是最近廣為關(guān)注的常壓室溫超導(dǎo)體。
超導(dǎo)要實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,必須開發(fā)出更利于應(yīng)用的超導(dǎo)材料。而一直以來,超導(dǎo)領(lǐng)域都有一個(gè)臨界溫度的天花板——“麥克米蘭極限”,即超導(dǎo)臨界溫度不能超過40 K(零下233.15℃)。
這個(gè)臨界溫度還是太低了,超導(dǎo)體必須通過昂貴的降溫技術(shù),比如液氮/液氫,才能保持超導(dǎo)性。為了讓超導(dǎo)體規(guī)?;瘧?yīng)用,就必須探索室溫環(huán)境下(300 K,即27℃)就能夠保持超導(dǎo)性質(zhì)的材料。
可以說,常壓室溫超導(dǎo)體,是絕對(duì)的諾獎(jiǎng)潛力股。
此前曾有很多論文聲稱找到了“室溫超導(dǎo)體”,但基本都無法被同行重復(fù)實(shí)驗(yàn),有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠,最終不了了之。所以為什么說不用焦慮Ranga Dias稱近環(huán)境壓強(qiáng)下的室溫超導(dǎo),因?yàn)轭愃频摹袄莵砹恕币呀?jīng)發(fā)生過多次,等研究真的被自證和他證了,再著急不遲。
(麥克米蘭極限)
實(shí)驗(yàn)技術(shù)的桎梏難以打破,基礎(chǔ)理論突破或許能帶來變革。高溫超導(dǎo)微觀理論,也是一個(gè)頗有前途的諾獎(jiǎng)選手。
回顧歷史會(huì)發(fā)現(xiàn),目前唯一獲得諾獎(jiǎng)的超導(dǎo)理論就是BCS理論,而能夠徹底描述高溫超導(dǎo)材料特性的理論,目前還沒有一個(gè)是公認(rèn)成功的。底層微觀機(jī)理的未知與不清晰,也使得相關(guān)應(yīng)用研究只能在既有的規(guī)則條件下艱難探索。
如果能夠?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)機(jī)理的微觀問題研究明白,能夠給室溫超導(dǎo)帶來意外的改變,加速超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程,具有里程碑式的意義。
理論突破是金字塔尖的塔尖,尋找室溫超導(dǎo)之路,絕大多數(shù)研究人員的機(jī)會(huì)還是在新的超導(dǎo)材料上。
從1911年超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)至今,已經(jīng)有成千上萬種超導(dǎo)材料被發(fā)現(xiàn),元素周期表中大約一半的元素都顯示具有低溫超導(dǎo)性。不過,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的材料,還是那些便宜、容易獲得的金屬與合金材料。
前面提到,銅氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn),第二年就斬獲了諾獎(jiǎng)。那么下一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)材料會(huì)是誰呢?答案是鐵基超導(dǎo)體。
1987年之后銅氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn),開啟了超導(dǎo)材料探索的蓬勃之路。如果說此前中國在超導(dǎo)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)弱、追趕慢,與國際一流水平有代差。那么從上世紀(jì)八十年代開始,圍繞高溫超導(dǎo)材料,中國科學(xué)家迅速躋身到了世界前列。
《超導(dǎo)“小時(shí)代”:超導(dǎo)的前世、今生和未來》中提到,1987年3月初,美國物理學(xué)會(huì)3月會(huì)議設(shè)立了“高臨界溫度超導(dǎo)體討論會(huì)”,當(dāng)時(shí),來自中國、美國、日本的科學(xué)家,作為大會(huì)特邀報(bào)告人,分別報(bào)道了各自在高溫超導(dǎo)材料探索的結(jié)果,世界各地的3000多名物理學(xué)家,擠滿了1100人容量的報(bào)告廳,狂熱的會(huì)議討論一直持續(xù)了7小時(shí),直到凌晨2點(diǎn)才結(jié)束。
目前,構(gòu)建出新型結(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)材料,被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)甚至室溫超導(dǎo)的希望所在,是下一個(gè)諾獎(jiǎng)的潛力股,也是中國在超導(dǎo)領(lǐng)域的強(qiáng)項(xiàng),擁有大量優(yōu)秀的研究人才和豐富的研究經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)鐵基超導(dǎo)體系。
2014年,德國馬克斯普朗克化學(xué)研究所的科學(xué)家A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫化氫中發(fā)現(xiàn)190 K超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象,發(fā)表在《自然》期刊上,正是受到了中國科學(xué)家的理論計(jì)算啟示。
百年超導(dǎo),今天依然是如此迷人,擁有無限的可能性,才會(huì)讓鴻儒白丁們都如此感興趣。
《天空之城》中的“漂浮島嶼”,航行宇宙的太空飛船,永不枯竭的能源和動(dòng)力,穿越時(shí)空的旅行……關(guān)于未來世界的想象中,超導(dǎo)是不可或缺的一筆,中國亦然。