剛剛過去的國慶黃金周，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)研究團(tuán)隊除了收看國慶70周年慶典外，每天依然到實驗室里工作。
“下一個可以用來劃分時代的材料，可能就是室溫超導(dǎo)體。”在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳濤眼里，他們所從事的超導(dǎo)研究充滿魅力。“如果發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體，我們出門可以坐上懸浮的超導(dǎo)車，甚至手機(jī)、手提電腦充一次電，就能用上好幾個月。”正是帶著這樣的夢想，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)研究團(tuán)隊在這一領(lǐng)域里已經(jīng)堅守了20余年。
突破超導(dǎo)研究的禁區(qū)
超導(dǎo)，是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時，電阻突然消失的現(xiàn)象。在超導(dǎo)研究的歷史上，已經(jīng)有10人獲得了5次諾貝爾獎，其科學(xué)重要性不言而喻。
1911年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水銀在極低溫條件下的超導(dǎo)性，開辟了科學(xué)研究的新領(lǐng)域。1986年，德國科學(xué)家與瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度為35K的銅氧化物超導(dǎo)體。
令科學(xué)家困擾的是，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。
40K的極限溫度能否被突破?在兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體后不久，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊將銅氧化物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使其成為高溫超導(dǎo)體。
“銅氧化物高溫超導(dǎo)體家族有兩個主要缺陷，作為金屬陶瓷材料加工工藝嚴(yán)苛，綜合成本高，影響廣泛應(yīng)用。此外，銅基超導(dǎo)并沒有解決高溫超導(dǎo)電性機(jī)理豐富的物理內(nèi)涵。”吳濤告訴科技日報記者，要揭開高溫超導(dǎo)的原理，廣泛應(yīng)用，尋找到臨界溫度更高的超導(dǎo)體勢在必行。
鐵基化合物由于其磁性因素，曾一度幾乎被國際物理學(xué)界斷言為探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。
2008年3月，中科大陳仙輝研究組和中科院物理所王楠林研究組同時在鐵基中觀測到了43K和41K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了麥克米蘭極限，證明了鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體。緊接著，中國科學(xué)家團(tuán)隊不僅率先使轉(zhuǎn)變溫度突破了50K，并發(fā)現(xiàn)了一系列50K以上的超導(dǎo)體，也創(chuàng)造了55K的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄，被國際物理學(xué)界公認(rèn)為第二個高溫超導(dǎo)家族。
尋找更高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料
突破了麥克米蘭極限之后，全世界科學(xué)家對超導(dǎo)材料的探索又一次陷入了迷茫，在高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導(dǎo)論文變得愈發(fā)困難。
中科大的超導(dǎo)團(tuán)隊卻一直堅守著這塊陣地，無數(shù)次地制備、觀察、放棄、重新開始……為了撥開超導(dǎo)研究的迷霧，他們提出了“新型二維層狀非常規(guī)超導(dǎo)材料”這個新的研究方向。
吳濤告訴記者，由于銅氧和鐵基超導(dǎo)體均為層狀結(jié)構(gòu)，承載超導(dǎo)電性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元分別是CuO2面和FeAs/Se層，被稱作“超導(dǎo)基元”，目前確認(rèn)的非常規(guī)超導(dǎo)體大都表現(xiàn)出此種結(jié)構(gòu)特點。
“這些材料與通常的超導(dǎo)體在超導(dǎo)機(jī)理上有所不同，傳統(tǒng)超導(dǎo)體的機(jī)理主要是基于電—聲子相互作用的BCS理論，二維層狀非常規(guī)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)理一般被認(rèn)為不能用BCS理論解釋。”吳濤認(rèn)為，對銅氧化合物超導(dǎo)體及鐵基超導(dǎo)體的微觀機(jī)理的了解，會極大推動凝聚態(tài)物理學(xué)的新發(fā)展;同時，一旦發(fā)現(xiàn)更適于應(yīng)用或具有更高臨界溫度的超導(dǎo)體，便可能像集成電路那樣成為帶動世界經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的新增長點。
目前，比較公認(rèn)的超導(dǎo)研究核心重點有兩個：第一個是新型(高轉(zhuǎn)變溫度)非常規(guī)超導(dǎo)材料，第二個是高溫超導(dǎo)(以及非常規(guī)超導(dǎo))的機(jī)理問題。
“我們依據(jù)二維結(jié)構(gòu)單元與超導(dǎo)電性之間的普適關(guān)聯(lián)性，以構(gòu)筑二維層狀超導(dǎo)單元為基礎(chǔ)，通過塊層、異質(zhì)結(jié)設(shè)計等研究思路來探索非常規(guī)超導(dǎo)電性。”吳濤告訴記者，作為國家重大專項，在實施兩年多的時間里，已經(jīng)利用電化學(xué)插層法成功合成出兩種新的鐵硒基高溫超導(dǎo)材料，并且發(fā)現(xiàn)這些新的超導(dǎo)材料具有與銅基高溫超導(dǎo)體相似的超導(dǎo)預(yù)配對現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)對鐵硒基超導(dǎo)體中高溫超導(dǎo)的形成具有重要的影響。“這些新的發(fā)現(xiàn)將為建立普適的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供關(guān)鍵的實驗證據(jù)。”吳濤表示，在新的研究方向上，可能有助于發(fā)現(xiàn)新的具有超高臨界場和臨界電流密度的實用型超導(dǎo)體。
探索更適于應(yīng)用的超導(dǎo)體
其實，超導(dǎo)已經(jīng)開始走進(jìn)我們的生活。如高溫超導(dǎo)濾波器已被應(yīng)用于手機(jī)和衛(wèi)星通訊，并明顯改善了通信質(zhì)量;超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)裝備在醫(yī)療設(shè)備上使用，則大大加強(qiáng)了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個超導(dǎo)示范變電站也已在我國投入電網(wǎng)使用……
在吳濤看來，他們的研究對于國家重點發(fā)展的超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域或?qū)⒂型苿幼饔谩?ldquo;它有可能應(yīng)用到新型低能耗、自糾錯的拓?fù)淞孔佑嬎泐I(lǐng)域。”吳濤說。
目前，超導(dǎo)體還沒有達(dá)到所期望的廣泛應(yīng)用，主要原因是仍有兩個重要問題亟待解決：一是超導(dǎo)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性;二是常溫常壓下的超導(dǎo)材料仍未被發(fā)現(xiàn)。
“因此突破現(xiàn)有超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度的限制，發(fā)現(xiàn)具有更高轉(zhuǎn)變溫度的新型超導(dǎo)，蘊含著重大科學(xué)意義。”吳濤對中國超導(dǎo)研究的未來充滿希望，“超導(dǎo)研究已經(jīng)扎根于中國，我們期望通過努力，獲得二維非常規(guī)超導(dǎo)體新材料探索和機(jī)理研究方面的重大突破，繼續(xù)保持我們在高溫超導(dǎo)材料探索和相關(guān)研究的國際領(lǐng)先地位。”記者 吳長鋒
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