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室温超导,来了吗?

室温超导,来了吗?

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来源:老和山下的小学僧

作者:老和山下的小学僧


美国罗切斯特大学的迪亚斯(Ranga Dias)团队在美国物理学会三月会议上宣布发现“近常压室温超导材料”,在1万个大气压下(1GPa)实现294 K(约21°C)的超导电性。

一时间,全球哗然。

本僧一大学同窗恰是个中高手,遂连夜讨教,生怕慢几天就凑不上热闹了。因为鄙人判断,这事儿大概率是扯淡,如果能第一时间打脸,而且打出有理有据的脸,也不失为一件善事。

可惜,那家伙非要反复验证,这一耽误,美国人的脸就被打肿了,已经无处下手,无奈只好另找个角度聊一聊其他细枝末节。‍

先从根上刨‍

首先得声明一下,本僧历来对美国科技水平的恭维都是不遗余力的,不属于那种动不动就吊打美帝的流派,但也不迷信美国,不认为美国会存在超过当前理论边界的技术。大家都是智人,谁也别瞧不起谁。

那么,问题来了,超导目前的理论边界在哪里?‍‍‍‍‍

这事儿在《革命老将:超导材料》一文里提过,整个过程有点大跌眼镜。超导的发展很诡异,技术一直领先于理论,每次都是技术已经实现了,再手忙脚乱去找理论,所以超导理论一直都不算成熟。

超导理论大致分两大类:常规超导和非常规超导。你看这名字就知道咋回事了,所谓“常规超导”就是理论能解释的,而“非常规超导”就是理论还无法解释圆满的。

那么,哪些超导属于常规超导呢?就是最简单的那种情形:金属材料在低温条件下实现的超导。至于其他的氧化物超导、铁基超导,或者是高温条件下的超导都属于“非常规”。也就是说,除了正常的超导,剩下的全是不正常的超导。

注意,这里说的高温和低温,分界线是液氮温度,零下200度以上就算高温了,和我们日常说的高温天气完全不是一回事。因为现在的液氮价格很低,和可乐差不多,所以只要能在液氮温区实现超导,就可以在一定范围内规模化应用。

超导理论可以说是被一路打脸打出来的。第一次发现超导现象后,大家都很意外,谁也给不出一个靠谱的说法,折腾了四十年才折腾出一个像模像样的理论——BCS理论。

简单来说,就是要电子成对。电子都是负电,不应该是相互排斥吗?为什么会成对呢?举个例子,一个帅哥吸引了一个美女,后来这个美女又吸引了另一个帅哥,于是,就相当于两个帅哥牵手了。电子就是这么成对的,学名:库珀电子对。

只要导体内有库珀电子对,就可以实现超导。当然,俩帅哥牵手是一种很微妙的作用力,稍有动静就会分手,当时的理论认为,只要温度超过40K帅哥就会分手。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

但是后来人们发现了40K以上的氧化物超导体,把BCS理论杀得片甲不留,于是大伙又给这理论打了补丁,认为帅哥在某种情况下脸皮会变厚(一种奇特的强关联),温度高了也不会分手。再后来,找到的超导体越来越多,理论也就跟着越来越离奇,有人认为帅哥用脚也可以完成牵手,有人认为帅哥可能有三只手……

在这堆打了很多补丁的理论中,只有一条共识:超导必须要有库珀电子对。至于电子成对的机理,仍然和猜谜一样。

理论就这么个情况,你就别指望技术能走出多远了!基本思路就是拿各种材料去尝试,和古代炼丹差不多,被人讽刺为用元素周期表全凑一次的制备方法。实在试不出新花样了,就改变实验条件再试,比如,加高压。

高压与室温超导

每一轮打补丁,都会引起一轮超导热,当年的某某铜氧超导,后来的铁基超导,石墨烯超导,等等。

2014年吉林大学的科学家又给超导打了一个大大的补丁,基于理论计算预言了硫化氢在高压下可以超导。2015年德国科学家证实,在150万倍大气压强下,硫化氢在203K(零下70度)时就变成超导体。

从此“氢化物加压”这条路就一发不可收拾,2019年证实LaH10在170万倍大气压强下,超导临界温度为250K(零下23度),再后来,我们就迎来了这轮室温超导狂潮的主角——美国罗切斯特大学的印度裔专家迪亚斯(Ranga Dias)。

关于这家伙的奇葩往事现已人尽皆知。早在2020年,迪亚斯就声称创造出了一种碳质硫氢化合物,在约15摄氏度和约270万倍大气压强下表现出了超导性。2023年这次更狠,在约20摄氏度和约1万倍大气压强下实现了超导。还有2017年声称合成了金属氢,这也是毁天灭地级别的大事件,相当于榨干了化学能的所有潜力。

迪亚斯的这三件“大事”都无法重复,金属氢样品也丢了。不过咱们不评价个别事件,人家非说昨晚夜里上天宰了一条龙,已经清炖吃完了,你也没法证伪。咱还是继续聊细枝末节。

没有成熟理论做指导,技术是很难走出太远的,我想,超导技术也不会例外。

超导历史上的第一轮狂潮是1987年的某某铜氧超导,在没有理论支撑的情况下一路狂飙,但到90年代就进了死胡同。2008年由铁基超导引领的狂潮也差不多,没几年就消停了。再后来的石墨烯超导甚至都算不上狂潮,只有媒体朋友在使劲蹦,而石墨烯超导的转变温度一直蹦不起来。

这一轮的氢化物加压的路子,和前几轮没本质区别,并没有太多的新理论突破。在这种情况下,想要奔出超导的冲冲迷雾,似乎也不是那么乐观。按照规律,通常是超导理论获得突破,然后按照理论设计出新的结构,才有可能再制备出室温超导。

还有其他超导材料吗

目前看起来,似乎啥材料都可以超导,只要给予相应的条件就行,只是这“条件”有点让人摸不着规律。有些看着容易超导,结果却很难实现,比如铜、银本身电阻就很低,按理说稍微降点温度就可以超导,但实际上,即使接近绝对零度,铜银仍然有电阻值。有些原本是绝缘体陶瓷,却能创下超导转变温度的记录,成为当前超导应用领域的主力。

这些无厘头现象给理论工作者出了很大的难题,大伙始终找不到超导这种神奇现象背后蕴藏的统一规律。以至于到了今天,预测一种材料是否超导仍然非常困难。

不过,还有路子。

既然三维材料这么难搞,不如先降低一个维度,先折腾两维超导材料。维度降一度,复杂性至少下降一个数量级,这当然是理论工作者的福音。但是……样品太难做了!

超导是一种宏观量子现象。理论上,你能制备出原子尺度精确控制的样品,也就能制备出量子力学中的各类势垒,有了可控的势垒,那么电子波就可控,这样所谓的量子特性就可以体现出来,也就是全新性能的量子材料制备出来了。

顺便说一句,在二维超导研究方面,咱们已经是最好的了。其实在整个超导领域,中国都是比较领先的,妥妥算第一梯队,没必要为了美国一则不知真假的室温超导新闻就妄自菲薄。

最后,不如操心一下人类科技的水平吧,超导只是电子层面的事情,居然这么多年都没拿下,其他几百种粒子可都等急了。


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