超導的研究和應用,將會給未來帶來巨大的變革

2020-12-04 魅力科技life

說起超導,在這裡便來先說一下2018年《自然》雜誌所評選的年度十位對科學界產生重大影響的人士,第一位入選的是便是年僅22歲的曹原,他的研究成就,使他被譽為石墨烯駕馭者。

他到底研究了什麼,為何會被評選為對科學界產生重大影響的人士呢?

年僅22歲的物理學家曹原協助發現了讓石墨烯實現零電阻導電的方法,該研究成果開創了物理學一個全新的研究領域,有望最終實現能源利用率與能源運輸效率的提高。

而石墨烯是未來革命性的一種新型材料,石墨和石墨烯有關的材料廣泛應用在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、電晶體等方面,涵蓋了眾多的高新領域,而石墨烯材料優異的性能及其潛在的應用價值,在化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域已取得了一系列重要進展。

可以說,曹原發現了石墨烯實現零電阻的方法,開創了物理學中的又一個全新的研究領域,這對於未來高端裝備製造等的研發和應用,有更優異的性能。

從這可看出,科學界對於超導的研究,有著非比尋常的在意。

你們知道麼,不僅超導在石墨烯方面的研究具有重大的作用,甚至在其他材料,超導的研究都起著非常重要的作用。

可以說,超導研究在凝聚態物理領域甚至在整個物理學界中,都扮演著不可忽視的重要角色。

為何說重要呢,先來看看超導所帶來的貢獻和榮譽吧。

從1911 年卡末林·昂尼斯發現第一個金屬汞超導體以來,超導的研究歷程跨越了一個多世紀,帶來過無數驚喜的發現,為物理學的發展做出了重要的貢獻。以諾貝爾物理學獎為例,目前共有200 餘位科學家獲得了該獎,其中凝聚態物理領域的約有60位左右,有10 名科學家是直接因為超導研究而獲此殊榮,當然,期間還有很多的傳奇人物,他們無一都是在超導方面有巨大的研究成果。

從諾貝爾獲得獎和一些傳奇的事例,可看出,超導的魅力是如此神奇,百餘年來長盛不衰,結出了累累碩果。而在未來超導領域,必將還會持續湧現更多的諾貝爾獎,如發現常壓室溫超導體和建立高溫超導微觀理論就是學界公認的「諾獎級」工作,而諸如鐵基超導、重費米子超導和有機超導等各種非常規超導材料的發現者也被寄予厚望。

而超導的現象,也並非是某些特定材料才會發生的,可以說超導現象廣泛存在於各材料中。

據不完全統計,目前為止人類發現的無機化合物大約有15 萬種,其中屬於超導體的約有2 萬多種。可見,超導現象是普遍存在於各類材料之中的,包括金屬單質、合金、金屬間化合物、過渡金屬與非金屬化合物、有機材料、納米材料等多種形態。

而在科學界中,有一個廣泛認同的信念——只要溫度足夠低或者壓力足夠大等特定條件下,任何材料都可以成為超導體。

特別是近年來,隨著科學技術的發展,在超導材料探索方面,也出現了多種新穎的手段,如超高溫高壓合成、微納米加工、固態/液態離子調控、化學離子交換/注入、電子濃度門電壓調控等,超導材料的覆蓋面,正在迅速擴展。

探索新材料過程更是採用了廣積糧、高通量、面撒網的方式,結合大數據、機器學習和人工智慧的應用,在「材料基因工程」和「原子製造工廠」等新概念模式下,人們正在加速超導材料的探索過程,越來越多千奇百怪的超導體,將在未來出現在我們面前。

為何科學界會如此熱衷於研究超導呢,超導到底有何魅力所在?

如今,我們是處於一個電子世界的時代,可以說生活離不開電子產品,如手機,電腦,交通工具等等,而半導體晶片,便是這些電子產品的核心部件之一,可以說,半導體晶片給我們的生活帶來了很大的影響,它不僅在材料加工、能耗、弱電等方面起著重大的作用,還極大的提高了各種設備的應用技術等。

然而,相對半導體而言,超導材料的應用十分滯後,可以說,在半導體晶片統治了我們如今電子世界的時候,我們從未見到過一件「超導電子產品」。

並不是說我們不知道超導它所帶來的巨大優越作用,而是因為對於一個超導體而言,需要滿足臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度均非常之高的前提下,才能適用於大電流、強磁場、無損耗的超導強電應用,同時材料本身的微觀缺陷、力學性能、機械加工能力等也極大影響了產品化的進程。

而已有的超導材料,各自都有它的應用局限,所以,在超導方面的應用,目前大部分還只是處於研究實驗中,並不能廣泛的運用於現實。

當然,也並不是說就沒有超導的應用,超導應用目前最成功的是超導磁體和超導微波器件等,也是極為有限。醫院裡的核磁共振成像大都採用超導磁體,其磁場一直存在線圈中,所以進入檢測室需要摘除所有金屬物件。

基礎科學研究採用的穩恆強磁場、大型加速器磁體、高能粒子探測器以及工業中採用的磁力選礦和汙水處理等,也利用了場強高的超導磁體。發展更高解析度的核磁共振、磁約束的人工可控核聚變、超級粒子對撞機等,都必須依賴強度更高的超導磁體,也是未來技術的可能突破口。超導微波器件在一些軍事和民用領域都已經走向成熟甚至是商業化了,為信息爆炸的今天提供了非常有效的通訊保障。

當然,超導的應用也不僅僅只有這些,超導在磁懸浮列車、量子應用、可控核聚變等重要領域都有著巨大的發展空間。

可以想像一下,若是超導可控核聚變發動機的成功研製,或許可以為未來的超級宇宙飛船提供源源不斷的動力,幫助人類在太空中持續飛行數百年,探索太空中的奧秘,去尋找下一個合適的家園……

隨著超導材料、機理和技術的發展,更多的超導電力、磁體、器件,必然將在未來逐步走進人們的生活,甚至帶來翻天覆地的變化。

新一代的科技革命,正在新材料、新機理、新器件的推動下,加速到來,而超導的研究,機遇與挑戰並存,超導的應用,也將會改變未來,引領未來走向更好的生活。

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