好奇心保护计划之回答观众提问【无尽的前沿】 | 科技袁人

科学

2023-04-06 12:04

■ 背景简介：

3月19日19：00袁岚峰老师携手中国科学院物理研究所研究员罗会仟博士和中国科学院等离子体物理研究所研究员秦经刚博士，围绕“室温超导”热门话题，发布了“无尽的前沿”直播系列的第一场，本文为直播回答观众提问之一。

■ 西瓜视频：

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本视频2023年3月28日发布于西瓜视频，观看量1.4w。

提问一、为什么碳氮这类元素的加入会明显降低结构的存在压强？

（※以前的氢化物超导所需的压强都很高，为什么加入C、N这类元素后超导所需的压强会降低？）

罗会仟：这可能提的是Dias（室温超导论文的作者）在2020年的工作，实际上不是今年的工作。2020年他是发了一篇文章，是碳硫氢材料也是室温超导，但是那个时候压力还是蛮高的，也是要200多GPa（即200多万个大气压）。

那么今年这次是化成了氮，然后一个稀土、一个氢。其实就是说找室温超导有一条很明确的路线，就是从理论上早就告诉大家了，就去找单质的氢，你把单质的氢压一压，它就会压成金属，要很高很高的压力。理论上预言的压力，大概是要500万个大气压，是非常高的，那么全世界没有几个科学实验室能做这个事情对吧。500万大气压，基本上是你用金刚石静态压力的极限了，非常非常困难。

所以大家大概找了八十几年一直没找着，大家就琢磨着，我是不是做一个氢的化合物。比如说在2015年的时候，德国人就想做硫化氢，二元化合物，我的压力低一点就好做了，当然也不低，200多万个大气压。所以压来压去，反正你拓展思路了，然后再去换到金属氢化物这个思路。

为什么去找，因为他发现，大家可以算，其实氢可以跟元素周期表中的任何一个元素变成化合物，是非常神奇的事情。但是跟这个稀土，它能构成一个笼子的结构，笼子是氢，里面就是稀土，所以一个稀土原子，可以带着一大堆氢原子过来，意味着我还是依旧能够实现很高温度的超导，但是压力可能降低了，我们的氢也挺多的，当然你有个重的元素在里面了。所以从2019年，第一个是LaH10，就是镧和10个氢。

袁岚峰：那个镧系元素的镧（La）。

罗会仟：镧系元素的第一个稀土元素，对吧，它这个实现以后，超导温度是零下13 摄氏度，也是接近室温了。后来今年这个事情，其实它的路线跟LaH10的路线是差不多的。

秦经刚：类似的，反正就高压嘛。

罗会仟：但它的套路跟2020年那个碳硫氢道路是一样的。就是你做了硫化氢，我再加个碳。你做了LaH10、稀土加氢，我再加个氮，其实思路完全是一样的。

秦经刚：套路都一样。

罗会仟：对对对，它是希望压力能降低，前提是它这个结果得是正确的。

提问二、超导和超流有关系吗？

袁岚峰：这是一个非常深入的问题了。

罗会仟：这个问题比较深入，但是我只能这么讲，就是说超导和超流从物理的性质上来讲，有一定的联系。超流，实际上就是说我们的氦到低温下变成液态了以后，你再降温它的沸点实际上还可以，但你还可以继续降温，降到1.5 K的时候，它所谓的超流，以后就是液体的分子之间的摩擦力或者说液体的粘滞力消失了。如果你放一瓶液态的氦放在桌子上，你只要让它超流，它里面的氦就会顺着瓶子的壁跑出来，很壮观，形成液氦喷泉都可以。

所以讲这个很神奇，就是我们常温下是不可能有这种状态的，但是你发现低温下以后，液体分子之间可以没有摩擦力。那么超导意味着什么呢？是意味着我们的电子电流在流的过程中没有摩擦力了，对吧。

秦经刚：没有阻力。

罗会仟：我们电子可以想象说是电流受到的摩擦力，可以想象成这样的。所以最终我们的超导能够变成一个没有电阻的材料，也是因为我们整个里面的电子变成了所谓的超流电子，它是一种超流的状态在这个材料里面流动的。

袁岚峰：所以这两个现象非常密切相关，你可以认为超导就是电子的超流。

秦经刚：对对对。

袁岚峰：它们都是某个东西变成0了，超导是电阻变成0，超流是黏滞性变成0。

罗会仟：对对对，没错。

袁岚峰：而且它们也都是当初那些低温物理的创始人发现的，超导是昂内斯，超流是卡皮查，他们也都因为获得诺贝尔奖。然后去解释他们的原理，也都获得诺贝尔奖。

罗会仟：对对对，这都是非常重要的物理问题。

提问三、粘滞性和电阻有没有什么关系？超流有什么物理图像可以解释？有什么应用？

罗会仟：电阻，我们就想象是电流的摩擦力，相当于电流也有粘滞性，可以认为这样，就是很粘稠，它跑不动，很简单。

超流的物理图像，这个不解释了，太复杂了。

那么超流的应用，确实较目前来看，超流它依赖的低温比超导更苛刻。你看液氦，本身4.2 K已经是液体了，你还得继续往下降，你得降到1.5 K。它的意义的存在性，实际上我觉得可能对我们民用的意义并不价值太大，但它的价值在于对我们基础科研，而且告诉我们，如果我们达到足够低的温度，你会出现新的物质态，不仅是超流态，有没有可能在更低温度下有没有可能出现所谓的超固态，这也是物理学史上非常著名的一件事情。

超流能不能找到超固态等等，这些超导态本身也是一个这种事情是吧。物理学家很有趣，因为我们常用的环境条件我们都容易达到了，所以没什么可研究了，我就想办法把他推到极端去，极端不只说我们把这个超导温度提高，我也可以把超流温度降低，使劲的降到非常低的温度，发现一些新的物理现象就出现了。

那么这些新的物理现象实际上是帮助我们理解一些新的物理规律，这其实是更重要的。

袁岚峰：罗老师刚才说的超固态，我还真亲身经历过。我刚去普林斯顿的时候就听过一个报告，是一个美国宾夕法尼亚州立大学的老师，一个华人，他就说他发现了超固态Supersolid。所谓超固态就是指一个固体，但是它是超流的，固体的粘滞性为0，这又比液体超流更加不可思议了。但他自己还是很谨慎，他是说看它有这种迹象，还不能保证，过了几年之后果然证伪了。