科学网—实现室温超导，总共分几步？
精选
已有 6484 次阅读
2024-11-26 19:35
| 个人分类: 超导小时代 | 系统分类: 科普集锦
实现室温超导，总共分几步？
罗会仟
这几年出现了多起 “室温超导”的事件，但却没有一个可以被业界成功验证的。换句话说，室温超导可能就是个烟雾弹，基本上属于“不明超导体”（ USO：Unidentified Superconducting Objects ）。既然室温超导目前并不存在，那室温超导未来是否还值得期待？
我们先从网上一个著名的段子说起：把大象放进冰箱，总共分几步？答案是分三步：把冰箱门打开，把大象放进去，再把冰箱门关上。类似的，我们也同样可以问，实现室温超导，总共分几步？答案也是三步：首先合成一个材料，然后在室温下测它的电阻为零，再测它的磁化率是负的抗磁性，就可以证明它是一个室温超导体了！
这个理论上看似非常简洁的步骤，在实操起来却是非常之困难！
我们倒着来，先看看第三步。抗磁性就是材料对外界磁场是负响应，也就是会产生一个与外磁场方向相反的磁化强度，磁化率为负值。如何证明一个材料具有抗磁性呢？简单嘛！把它扔到一块强磁铁上，会悬浮起来呗！这难道就是超导磁悬浮么？并非如此！诺贝奖得主安德烈·海姆曾经把一只青蛙扔进 16 -20 T 的强磁场里，青蛙也悬浮起来了！没错，生活中常见的水，也具有抗磁性，只要磁场足够强，含水多的物体都能悬浮。生活中还有很多材料也具有抗磁性，比如金属铜、银、铋、钛等，还有各类含苯环的有机材料，比如你抹的防晒霜，也是抗磁的，但很遗憾，它们都不是室温超导体。超导体的抗磁性非常之强，强到可以达到抗磁体积 -100% ，相比之下，其他材料里抗磁最强的就是热解石墨，抗磁体积仅有 -0.04% ，而水的抗磁体积不过负十万分之一左右！所以，如果你在室温下测不到接近 -100% 的抗磁性，就不能证明它可能属于室温超导体！
话说回来，超导磁悬浮，可不是因为它的抗磁性哦！而是因为它具有另一个独特的磁场效应——磁通钉扎。也就是磁力线会进入超导体内部，然后被牢牢锁住，一旦磁通线密度发生变化，超导体就会尽可能地想恢复原状。如果靠近磁铁，因为，超导体会对磁铁产生一个斥力，远离的话，会产生一个吸力。所以，超导磁悬浮，不仅可以上浮，还能倒过来悬挂在磁铁下方。这可不是普通抗磁悬浮能做到的！
我们再来看看第二步。如何证明一个材料的电阻为零呢？你可能会说，这不简单呀！把万用表两根电极直接往上一戳，你看，电阻示数为零吧？但，重点来了，万用表的电极跟材料的接触不良会造成一个很大的接触电阻，所以无论材料电阻多大，表的示数不会是零。要测量一个电阻很小的材料，必须采用四电极法才能避开接触电阻的影响。那即使我们采用四电极法，且用了比万用表更加精密的电流表电压表呢？也未必能确定材料电阻为零！万一是它的电阻很小很小，小到超出了仪表精度呢？嗯，是不是没有想象那么容易？事实上，如果一个材料电阻为零，那么无论你用如何精密的仪器去测量它，只要电流保持在一定范围之下（注：低于超导体临界电流），都得到直流电阻为零，表现为仪器读数总在最小精度左右，而且一会儿为正，一会儿为负，因为仪器近乎“失灵了”！目前最好的实验精度告诉我们，超导体的电阻率上限在 10 -24 Ω·m ，比导电最好的铜银金等还低了十几个数量级，这还只是上限而已。如果我们把一个超导圆环通上电流，假设它永远保持超导状态，就会发现电流需要很长很长的时间才会衰减掉，计算得到的这个时间甚至比我们宇宙的年龄还要长！所以，超导体电阻是绝对为零！
好了，第三步和第二步看似都解决了，第一步怎么办呢？很遗憾的是，估计 99.99999% 的人，都卡在了第一步。因为至今为止，我们并不清楚室温超导，它究竟是一个什么样的材料？材料的形态、组分、元素配比、晶体结构等等，一概不知！我们能告诉你的是，目前人类发现了数十万种无机化合物，其中大约有 1~3 万种属于超导材料，绝大部分超导临界温度都在 40 K ，也就是大约 -233 ℃以下。目前常压下最高超导临界温度为 134 K ，也就是 -139 ℃左右。如果不考虑不靠谱的迪亚斯的工作，极端高压下的超导临界温度记录为 260 K ，也就是 -13 ℃左右。
好嘛！到底什么是室温超导体呢？室温超导体，指的就是在室温下具有绝对零电阻和完全抗磁性的材料。在物理上，严格来说，室温指的就是 300 K ，也就是 26.85 ℃，实际上比我们感受到的舒适室温要略高一点点。迪亚斯在 2020 年声称的碳 - 硫 - 氢化合物高压超导温度，是 288 K ，在 2023 年声称的镥 - 氢 - 氮化合物超导温度，是 294 K ，距离真正的室温超导，还差那么一点点。历史上，像迪亚斯这样爆出“室温超导”惊天大瓜的，实际上层出不穷，但无一例外，都经受不住以上三步的拷问。比如他们测量的电阻根本没有到零，磁化率其实也远远没有 -100% ，化学成分遮遮掩掩不敢公开，甚至数据都有可能是故意曲解或捏造的。而且，因为实验结果无法被其他研究组独立复现，最终都被鉴定为乌龙事件。
那，室温超导，还会有吗？如果要寻找室温超导体，可以从哪里入手呢？
科学家们在寻找室温超导方面，还是有一些可行性方案的。
方案一：借助超高压力，生成常压下无法得到的材料新结构，其中含氢较多的材料都有可能是室温超导体。这个思路从 2015 年至今都在不断尝试，也确实是找到了许多特别高温度的超导体，包括前面说的 260 K 超导体 LaH 10 。只是高压条件导致测试极为困难，这就让迪亚斯之流钻了空子，不过希望之光还在。
方案二：从现有的超导体微观机制出发，研究哪些相互作用有助于提高超导温度，然后重新设计构造新的材料，在多种相互作用帮助下一起提高临界温度。麻烦在于，我们对绝大部分叫做“非常规超导体”的材料的微观机制并不了解。
方案三：跳出三维材料的思维框架，在二维材料或者二维界面里寻找复合材料结构下的室温超导，或者在一维世界里重新组装原子积木。的确，科学家们在某两个材料组合下，发现了新的超导或提高了材料原本的超导温度，还发现了不少准一维的超导体，只是，他们临界温度还是太低了。
方案四：借助现在 AI 的超强算力，通过各种已知超导材料物性的庞大数据库来开展训练，即便在超导机制不明的情况下，也可以帮助我们预测出新的超导体，甚至是室温超导体。这个依赖于数据库的准确性，和 AI 的可靠性，目前科学们的行动刚刚开始，已有一些进展，但很遗憾都不是室温超导。
方案五：干脆跳出地球，去太空冒险采矿，就像电影《阿凡达》里面描述的那样。或许星际旅行看起来距离我们太遥远，但人类已经能够采取月球、火星、彗星、小行星上的样品了，也在陨石里发现过超导体。谁知道呢？室温超导体或许就隐藏在距离我们不太远的某个星球上呢？
怎么样，以上就是寻找室温超导体的真实方案，你想不想试一试？
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自罗会仟科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-22926-1461808.html
上一篇： 超导材料简介 下一篇： 神奇多变的笼目材料