中国高温超导研究领跑世界 把“命门”掌握在自己手中

【时间: 2019-10-29 09:27:59】【字号:

资料来源:《科学技术日报》

突破极限,中国在高温超导研究方面领先世界

“生命之门”在自己手中

我们的记者吴长锋

在刚刚过去的国庆黄金周期间,中国科技大学超导研究小组除了观看国庆70周年庆祝活动外,每天都继续在实验室工作。

"下一种可以用来划分时代的材料可能是室温超导体."在中国科技大学教授吴涛看来,他们的超导研究充满魅力。“如果我们找到室温超导体,我们可以出去坐上悬浮超导汽车,甚至手机或笔记本电脑充电几个月。”正是带着这个梦想,中国科技大学超导研究团队在这个领域坚持了20多年。

突破超导研究的禁区

超导是指当温度降至某一临界温度或低于超导转变温度时,某些材料的电阻突然消失。在超导研究的历史上,有10人获得了5项诺贝尔奖。它的科学重要性不言而喻。

1911年,荷兰科学家发现了汞在极低温度下的超导性,开辟了一个新的科学研究领域。1986年,德国和瑞士科学家发现了一种临界转变温度为35k的氧化铜超导体。

令科学家困惑的是超导体的转变温度不能超过40k(大约零下233摄氏度),这也被称为麦克米兰极限温度。

40k的极限温度能打破吗?两位欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的氧化铜超导体后不久,包括中国科学家在内的研究团队将氧化铜超导体的临界转变温度提高到液氮温度区以上,打破了麦克米兰极限温度,使其成为高温超导体。

“氧化铜高温超导体家族有两大缺陷。作为一种金属陶瓷材料,其加工工艺苛刻,综合成本高,影响其广泛应用。此外,铜基超导并没有解决高温超导机制的丰富物理内涵。”吴涛告诉《科学日报》,如果要揭示高温超导体的原理并广泛应用,就必须找到临界温度更高的超导体。

由于铁基化合物的磁性,它们一度几乎被国际物理学界称为探索高温超导体的禁区。

2008年3月,中国科技大学陈先辉研究组和中国科学院物理研究所王楠林研究组均观测到铁基超导转变温度为43k和41k,打破了麦克米伦极限,证明铁基超导体是高温超导体。随后,中国科学家团队不仅率先打破了50k的转变温度,发现了一系列50k以上的超导体,还创造了55k铁基超导体转变温度记录,被国际物理界公认为第二个高温超导家族。

寻找具有更高转变温度的超导材料

在突破麦克米伦极限后,全世界的科学家再次迷失在超导材料的探索中,使得在影响因子高的期刊上发表高温超导论文变得越来越困难。

然而,中国科技大学超导团队一直坚持这一立场,无数次的准备、观察、放弃和启动……为了清除超导研究的迷雾,他们提出了“新型二维层状非常规超导材料”的新研究方向。

吴涛告诉记者,由于铜氧超导体和铁基超导体是层状结构,因此具有超导性的关键结构单元分别是铜氧表面和feas/se层,它们被称为“超导元素”。大多数目前证实的非常规超导体都显示出这样的结构特征。

“这些材料在超导机制上不同于普通超导体。传统超导体的机制主要基于bcs电子-声子相互作用理论,二维层状非常规超导体的超导机制一般认为无法用bcs理论来解释。吴涛认为,了解氧化铜超导体和铁基超导体的微观机制将极大地促进凝聚态物理的新发展。同时,一旦找到更适合应用或具有更高临界温度的超导体,它们可能成为像集成电路一样推动世界经济和社会发展的新增长点。

目前,关于超导性有两个公认的研究重点:第一是新型(高转变温度)非常规超导材料,第二是高温超导(和非常规超导)的机理。

基于二维结构单元与超导性之间的普遍相关性,在建立二维层状超导单元的基础上,我们通过阻挡层和异质结设计等研究思路探索非常规超导性吴涛告诉记者,作为一项重大的国家工程,在过去的两年里,通过电化学插层成功地合成了两种新的铁硒基高温超导材料。发现这些新型超导材料具有与铜基高温超导体相似的超导预配对现象,二维结构对铁硒基超导体中高温超导体的形成有重要影响。"这些新发现将为建立通用高温超导机制提供关键的实验证据."吴涛说,在新的研究方向上,发现具有超高临界场和临界电流密度的新型实用超导体可能会有所帮助。

探索更适合应用的超导体。

事实上,超导已经开始进入我们的生活。例如,高温超导滤波器已应用于移动电话和卫星通信,并显著提高了通信质量。医疗设备中使用的超导量子干涉装置(squid)设备极大地提高了人体心脑检测的准确性和灵敏度。世界上第一个超导示范变电站也已在中国电网投入使用...

在吴涛看来,他们的研究可能在促进超导量子计算的国家重点发展方面发挥作用。"它有望应用于一种低能耗、自校正的新型拓扑量子计算."吴涛说。

目前,超导体还没有像预期的那样得到广泛应用,主要是因为仍有两个重要问题需要解决:一是超导应用的经济性;第二,常温常压下的超导材料尚未被发现。

因此,突破现有超导材料转变温度的限制,寻找转变温度更高的新型超导材料具有重要的科学意义吴涛对中国超导研究的未来充满希望。超导研究已经在中国扎根,我们希望通过艰苦努力,在探索和机理研究新的二维非常规超导材料方面取得重大突破,并继续保持我们在高温超导材料探索和相关研究方面的国际领先地位