神奇的超導——超導體的前世今生

2021-01-19 科學媒介中心


金剛石對頂砧裝置（圖源：quantamagazine.org）


2020年10月14日，羅切斯特大學的物理學家蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）領導的研究團隊利用金剛石對頂砧（diamond anvil cell，DAC），即一種在極高壓下檢測微量材料的研究裝置，將氫、碳和硫結合在一起，以光化學方法合成了含碳的硫化氫系統（carbonaceous sulfur hydride）。相關研究發表在《Nature》。這種由氫、碳和硫組成的化合物在287.7±1.2K（約15℃）的室溫和267±10千兆帕的大氣壓下表現出了超導性，這也是人類發現的第一個室溫超導體。什麼是超導體？超導體的發展又經歷了什麼呢？

羅切斯特大學的超導實驗室（圖源：nature.com）

根據物質的導電性能可以分為導體（Conductor）、半導體（Semiconductor）和絕緣體（Insulator）。導體中有大量可以自由移動的帶電粒子，它們可以在電場的作用下作定向運動，形成電流；絕緣體中的電子被束縛在原子周圍，不能自由移動；半導體則介於二者之間。即便是導體，電子在運動的過程中也會與晶格碰撞發生散射，這就是電阻。自然界中有沒有電阻為0的物質呢？答案是肯定的。當溫度降低到一定程度時，一些物質會進入一種神奇的狀態——超導態。此時電阻會消失，而電子能在其中無阻礙地運動，這種物質就是超導體（superconductor），此時的溫度稱為超導臨界溫度。例如，石墨烯薄膜由排列成六邊形的單層碳原子構成，它比鋼堅固，導電性比銅好。

石墨烯結構（圖源：nature.com）

當我們將兩層石墨烯薄膜以1.1°的角度分層放置時，它就會表現出超導性。

將兩層石墨烯組成的材料以1.1º的角度扭曲（右圖）（圖源：nature.com）

除了零電阻效應外，超導體還有兩個特點：完全抗磁性和磁通量量子化。普通導體處於磁場中時，其體內會產生一個感應磁場。處於超導態的物質，無論外磁場如何變化，其體內的磁感應強度一定為零，這就是超導體的完全抗磁性，也稱邁斯納效應（Meissner Effect），這種特性最大的用途是用來做磁懸浮。

超多磁懸浮（圖源：nature.com）

磁通量量子化又稱約瑟夫森效應（Josephson effect），是指當兩個超導體距離近至原子尺寸且中間可以視為絕緣層時，超導體中的電子對可以越過絕緣層產生超導電流的現象。


1894年，荷蘭萊頓大學實驗物理學教授海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）建立了著名的低溫研究中心——萊頓實驗室。

昂內斯（右一）等人在萊頓實驗室（圖源：nobelprize.org）

1908年，昂內斯成功將氦氣液化，最低溫度可達到4.2K左右（約為零下269℃），這也為超導現象的發現提供了有力保證。

昂內斯（左一）等人在萊頓實驗室的液態氦前（圖源：nobelprize.org）

1911年，昂內斯經過多次實驗後發現，當溫度降至4.2K以下時，汞的電阻突然消失（即零電阻），這是人類首次發現超導現象。1913年，昂內斯又發現錫和鉛也具有超導性。同年，昂內斯因「對低溫下物質性質的研究以及液化氦氣」方面的成就獲得了諾貝爾物理學獎。1957年，美國物理學家約翰·巴丁（John Bardeen）、裡昂·庫伯（Leon Cooper）和約翰·施裡弗（John Schrieffer） 從理論角度解釋了超導現象。 他們提出的「BCS 理論」表明，在超導體中，金屬中自旋和動量相反的電子可以配對形成所謂的「庫珀對」（Cooper pair），電子結伴後會以量子液體的形式無阻礙地運動，形成超導電流。三人也因此於1972年共同獲得諾貝爾物理學獎。

從左至右依次為：巴丁、庫伯、施裡弗（圖源：nobelprize.org）

1986年，柏諾茲（J. Bednorz）和繆勒（K. Müller）發現La-Ba-Cu-O化合物（即鑭鋇銅氧化物）的超導臨界溫度可以達到35K（約為零下240℃）。這一發現引發了世界範圍高溫超導研究的熱潮。1987年，美國休斯頓大學的華裔科學家朱經武和吳茂昆獲得了臨界溫度為98K的超導體；短短幾天後，中國科學院物理研究所的趙忠賢及其團隊獲得了臨界溫度為100K的超導體。超導體臨界溫度首次進入液氮溫區（液氮的沸點為77 K）。1994年，朱經武研究團隊在高壓條件下將汞基氧化銅的臨界溫度提高到了164K（約為零下109℃）。2004年，康奈爾大學的理論學家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）提出將氫與另一種元素結合可能會增加一種「化學預壓縮」，從而可以在較低的壓力和更高的溫度下實現超導性。2014年，吉林大學的馬琰銘研究組預言，H2S在160萬個大氣壓有80K左右的超導電性。吉林大學的崔田研究組預言，H2S-H2化合物在高壓下可能實現101-204K的高溫超導。次年，這兩個預言就得到了驗證。德國馬普化學研究所的米哈伊爾·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）領導的研究團隊在《Nature》上發表文章稱，他們發現在155千兆帕的高壓下，H3S結構（由H2S在壓力下分解形成）的超導臨界溫度是203K（約為零下70℃）。2019年，埃雷梅茨等研究人員在 250K（約為零下23℃）的溫度和170千兆帕的高壓下實現了含鑭富氫化合物LaH10的超導性，這項成果與室溫超導非常接近。

含鑭富氫化合物（圖源：nature.com）

如今，人類第一次實現室溫超導，雖然這種超導現象只能發生在極高壓（267±10千兆帕）條件下，但它對於超導體的研究具有裡程碑式的意義。在不久的將來，希望科學家們能夠發現在普通環境下穩定或亞穩定的超導材料。


參考文獻：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/

https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w

https://www.sciencemag.org/news/2020/10/after-decades-room-temperature-superconductivity-achieved

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