鎳基超導(dǎo)，中國(guó)新突破

要說(shuō)物理學(xué)最大分支——凝聚態(tài)物理有什么激動(dòng)人心的難題挑戰(zhàn)，高溫超導(dǎo)無(wú)論如何可算其一。今年2月，一支由國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者薛其坤院士領(lǐng)銜的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，宣布發(fā)現(xiàn)常壓下鎳氧化物的高溫超導(dǎo)電性。這次，中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)，到底體現(xiàn)在哪里？讓我們先從超導(dǎo)是什么講起……

如何解除“低溫封印”

想象一下，有一根神奇的電線，無(wú)論你輸送多強(qiáng)的電流，它都不會(huì)發(fā)熱、損耗能量。這聽(tīng)起來(lái)是不是有點(diǎn)像魔法？其實(shí)，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象的寫(xiě)照。

時(shí)間回到百余年前的1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在實(shí)驗(yàn)室里意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他把汞冷卻到約-269.15℃時(shí)，電阻突然消失，這意味著電流在其中毫無(wú)阻礙，就像在光滑冰面上滑行一樣。昂內(nèi)斯將這種現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”。從此，人類(lèi)開(kāi)啟對(duì)超導(dǎo)世界的探索。

超導(dǎo)現(xiàn)象剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)，就像一處冰封的寶藏，雖然誘人，卻難以觸及。因?yàn)橐尣牧线_(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，必須將其冷卻到極低的溫度，這需要依賴昂貴且稀缺的液氦來(lái)實(shí)現(xiàn)。液氦制冷成本極高，使得超導(dǎo)技術(shù)后續(xù)幾十年間難有突破?？茖W(xué)家實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)溫度一直在-250℃以下徘徊，仿佛被看不見(jiàn)的魔咒封印。

直到1986年，兩位歐洲科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)銅氧化物在相對(duì)“高溫”下就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。這個(gè)溫度雖然還很低，但已經(jīng)可以用更便宜的液氮來(lái)制冷了。同年底，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)合成一系列銅基超導(dǎo)材料，其中兩個(gè)樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度成為當(dāng)時(shí)世界上的最高紀(jì)錄。銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，如同在寒冷的冰原上點(diǎn)燃了一把火，讓超導(dǎo)技術(shù)打破“低溫封印”進(jìn)入生活有了希望。

在納米尺度上“搭原子積木”

經(jīng)過(guò)數(shù)十年探索，科學(xué)家相對(duì)熟悉的高溫超導(dǎo)材料家族已經(jīng)有了三位主要成員：銅基、鐵基和鎳基。銅基、鐵基先前已實(shí)現(xiàn)常壓下突破超導(dǎo)效果界標(biāo)——“麥克米蘭極限”。此次薛其坤院士團(tuán)隊(duì)的最新成果，讓鎳基材料追上兩位前輩，同樣沖破“麥克米蘭極限”。

近年來(lái)，鎳基超導(dǎo)已成為超導(dǎo)研究“兵家必爭(zhēng)之地”，各家用兵路線不同。薛其坤院士團(tuán)隊(duì)選擇的是極其精巧的強(qiáng)氧化原子逐層外延技術(shù)。薛其坤院士團(tuán)隊(duì)要挑戰(zhàn)的，就是在納米尺度上“搭原子積木”。為了獲得最理想的研究材料——數(shù)納米厚的超薄膜，團(tuán)隊(duì)用去1000多片樣品，才摸索出一套“原子鉚釘術(shù)”。在極強(qiáng)氧化環(huán)境下，依靠這種方法能固定住原本需要極高壓才穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原子層逐層生長(zhǎng)。

薛其坤與研發(fā)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高溫超導(dǎo)研究

無(wú)需高壓，仍能得到超導(dǎo)兩大關(guān)鍵指標(biāo)“零電阻”與“抗磁性”的理想結(jié)果，中國(guó)科學(xué)家將鎳基高溫超導(dǎo)材料展示在世人面前。值得驕傲的是，中國(guó)科學(xué)家本次突破，不僅刷新了超導(dǎo)材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)的普適性，為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口。

展望超導(dǎo)世界

雖然在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域不斷取得突破，但科學(xué)家們一直在尋找常壓室溫超導(dǎo)體，也就是在常溫常壓下就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。如果發(fā)現(xiàn)了這種神奇的超導(dǎo)體，也就意味著超導(dǎo)技術(shù)將徹底擺脫低溫的“封印”，真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

超導(dǎo)世界有何不同？城市電網(wǎng)將由超導(dǎo)電纜織成“能源互聯(lián)網(wǎng)”，徹底告別停電；太空電梯將通過(guò)超導(dǎo)磁懸浮軌道直通太空，大幅降低運(yùn)輸成本；腦機(jī)接口將借助超導(dǎo)量子傳感器解讀神經(jīng)信號(hào)，讓意念控制成為現(xiàn)實(shí)……

人類(lèi)用了百年時(shí)間，將超導(dǎo)溫度不斷提高。每前進(jìn)一度，都意味著對(duì)物質(zhì)更深刻的理解和對(duì)能量更精妙的掌控。超導(dǎo)世界之門(mén)，還在等待著推開(kāi)它的有心人。

來(lái)源：新華社