室温超导 人类追寻的梦想

最近，国际顶级期刊《自然》在线发表了一项关于高温超导的研究成果：中国科学技术大学陈仙辉院士与复旦大学物理学系张远波课题组合作，在揭示高温超导机理方面取得新进展，他们首次获得了二维极限下的单层铜基超导体的导电数据，并证明其具有与块体铜基超导体相同的超导特性，铜基超导体导电性与薄厚无关。这一成果的推出，再次引发人们对超导的关注。超导到底是什么，有何神奇之处？对于超导人类有何梦想？记者日前深入中科大采访，为您撩开超导的神秘面纱。

令人惊叹的超导电性

在科幻电影《阿凡达》中，潘多拉星球的哈利路亚山，由于拥有常温超导矿石，梦幻般地悬浮在云端。超导体有一种特性，就是在磁场中产生斥力，称之为抗磁性。《阿凡达》中的悬浮山，就是因为超导体在地磁场中受到了斥力。“零电阻、完全抗磁性，是超导的两大特性。”中科大教授、中科院院士陈仙辉介绍，超导电性是人类第一次观察到宏观量子现象，其中超导的迈斯纳效应导致超导体可在磁场中悬浮。

超导是物理学中最迷人的宏观量子现象之一，是日久弥新的研究领域。1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯在实验中意外发现，将汞冷却到4.17K（-268.98℃）时，汞的电阻突然消失。之后，他又经过多次实验，最终发现有许多金属和合金具有类似的特性，于是将这一神奇的现象命名为“超导”（超级导体）。凭借这一伟大发现，卡末林·昂内斯获得1913年诺贝尔奖，而1911年也被称为“超导元年”。超导发现100多年来，全世界已有10位科学家凭借超导研究成果共获得5次诺贝尔物理学奖。

超导电性，是指某些材料在温度降低到某一临界温度，电阻突然消失的现象。当导体进入超导态后，就称为超导体。超导体在电、磁、热方面，都会表现出一些奇妙的特性，其中零电阻是人类对超导体认识的第一个特性，这一特性在电力输送和储能领域有着广阔的应用前景。迈斯纳效应则是指超导体的完全抗磁性，即超导体可以将磁力线从自身中完全排斥出去，导体内的磁场值为零，磁悬浮列车利用的就是超导体的完全抗磁性。

今年5月，我国已研制出时速600公里的高速磁浮试验样车。目前，医院里的核磁共振成像仪、高能加速器、磁约束核聚变装置等都是超导的重要应用。2012年发现“上帝粒子”的欧洲核子研究中心大型强子对撞机中，几十公里长的超导加速环和多个有几层楼高的超导探测器都是最关键的部件。在合肥科学岛上，多次创造世界纪录的磁约束核聚变装置“东方超环”，实际上就是一种全超导托卡马克实验装置。国际最大的1兆瓦超导感应加热器，相较于常规交流感应加热设备，每年可节电超过640万度。

撩开超导的神秘面纱

当前，超导机理以及全新超导体的探索，已成为物理学界最重要的前沿问题。如何找到通向高温超导秘密之门的钥匙，是科学家们孜孜以求的问题。业内人士指出，超导发现100多年来，科学家们发现了诸多有关超导的秘密，比如普通金属导体导电的电子由于杂乱运动，发生碰撞而导致能量损耗；超导体导电的电子是做整齐的定向运动，避免了发生碰撞从而实现零电阻。但超导的机理问题还没有完全解决，科学家们依然在不断地寻找新型超导体。

铜基超导体是一种优质的导电材料，迄今为止，人类已经合成数十种铜基超导体，它们都具有相似的层状原子结构，核心结构皆由铜氧面和由其他原子构成的平面经层层交替堆叠而成。这些铜氧结构单元被认为是高温超导电性的起源，尤其是理论物理学家在研究高温超导机理时，主要基于铜氧面结构单元建立二维理论模型。中科大陈仙辉院士团队最近在合作研究中，成功制备出大面积单层铜基超导体——铋锶钙铜氧（Bi-2212），并实验上发现该单层铜基超导体与相应的块体铜基超导体具有完全相同的超导特性，包括单层Bi-2212相图中的超导态、赝能隙态、电荷密度波态以及模特绝缘态均与块体行为保持一致。这些发现为高温超导体二维理论模型提供坚实的实验基础，也为高温超导体的实验研究提供新的思路。

目前，由于超导转变温度都远远低于室温，所以用摄氏温度来表示不太合适，一般采用开氏温度来表示。开氏温度是指以绝对零度（-273.15℃）为起点表示的温度，因此所有的温度表示数都是正数。高温超导中的“高温”，并非我们平常理解的高温，而是相对于绝对零度而言的“高温”。从事超导研究20余年来，陈仙辉始终在寻找新一类高温超导体，并努力撩开超导的神秘面纱。2014年1月，陈仙辉与中科院物理所合作完成的“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”，问鼎2013年度国家自然科学一等奖。该研究首次突破40K（约-233℃）麦克米兰极限温度，创造并保持55K（-218.15℃）铁基超导体临界温度最高纪录。近年来，在赵忠贤、陈仙辉等为代表的科学家引领下，我国超导团队跻身世界超导研究第一方阵。

充满期待的室温超导

“超导领域科学家的最终理想是发现室温超导体，但到目前为止，我们只能在科幻电影《阿凡达》中的潘多拉星球上领略到室温超导的绝美之处。可控核聚变和室温超导体，有望从根本上解决能源问题。”陈仙辉表示，人类文明的进展可以按照材料来划分，比如石器时代、青铜器时代、铁器时代和当前的硅器时代，美国科学家认为下一个时代的有力候选是室温超导体时代。正因为超导电性具有广泛的应用和深刻的科学内涵，从而使其百年不衰。

长期以来，制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈，就是超导体一般需要用液氦或液氮冷却才能使用。室温超导研究一旦取得实质性突破，超导的应用难度和成本将会极大降低，从而对人类社会产生难以想象的影响。

今年5月，国际顶级期刊《自然》公开了德国马克斯·普朗克化学研究所Drozdov等人的研究成果，他们发现当压缩到超过地球大气100万倍的压力时，氢化镧化合物在250K（-23℃）变成超导体。这是迄今为止在超导材料中已经确认的最高临界温度，也是最接近室温的超导材料，具有里程碑意义。然而，目前物理学家只是在极端条件（如巨压）下找到了超导转变温度接近室温的物质，这些物质在常温常压下能否维持原状还是个未知数，实验上还需要进一步的努力来证实。

业内人士认为，如果将室温超导材料应用于计算机，计算速度将会大幅度提升，同时能耗将大幅度降低。当前，开发具有更高处理能力的计算机，受到供电能力、空间和冷却基础架构的限制。而基于超导逻辑和低温存储器的计算机，可帮助解决这些问题。

陈仙辉介绍，传统半导体技术发展正逼近物理极限，半导体计算机接近“天花板”。量子计算机提供了原理性颠覆方案，但目前挑战巨大，只能解决特定问题，需要架构全新生态系统。超导计算机提供了器件级颠覆方案，技术相对成熟，工艺以及生态发展环境与半导体技术兼容，具有很好的发展前景。“一旦室温超导体被发现，超导应用将会发生革命性变化，极大地推动人类文明发展，人们生活也会发生翻天覆地的变化。”陈仙辉表示。

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