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常见问题

室温超导材料

       室温超导,即在室温条件下实现的超导现象。超导现象最初是在接近绝对零度的低温条件下观察到的,大多数超导体都必须工作在40 K(约-233.15℃)以下的温度环境,目前常压下最高的超导临界温度记录是134 K(约-139℃),仍然远远低于室温(即300K,约27℃)。人类如在通常的物理条件下实现可规模实用化的室温超导材料,有望在所有电和磁的领域让超导材料得到大规模应用,极大提高装置的性能和效率,全面而又深刻地改变人类社会。

       超导现象是指电流可以在材料中以零电阻通过,但严格来说,是指在某一温度以下电阻为零,该温度被定义为超导体的“临界温度”。判断一个材料是否属于超导体,不仅仅要看它是否具有零电阻的特性,还必须同时具有完全抗磁性,即抗磁磁化率达到最大值,为-1。超导体的零电阻特性让传输电流几乎没有能量耗损,超导材料能承载比常规导体更强的电流,在小范围空间里产生更高的磁场;而一般常规导体材料,在导电过程中都会消耗大量能量,产生强磁场会有很强的发热效应。

       通常情况下,只有在特定温度之下,材料才会进入超导状态。这个临界温度非常低,往往从几到几十开尔文(大约零下二百多摄氏度),这在日常生活中非常难达到,而需要依赖液氦、液氮等制冷介质,极大地限制了超导材料的大规模应用。 室温超导指的是临界温度大于等于室温(300K,27℃)的超导体。历史上曾多次有人声称合成了室温超导体,但均被质疑,未获科学界广泛承认。目前尚不存在真正意义上的室温超导体,虽然理论上并没有对超导体的临界温度有明确的上限,但理论上也并没有支持室温超导体存在的证据。

早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)就已经发现,当温度降低至4.2K(约-268.95℃)时,金属汞的电阻会消失,他将该现象命名为超导 
但直到1957年,才有了第一个能从微观上成功描述超导现象的理论——BCS理论 。该理论由美国科学家约翰·巴丁(John Bardeen)、里昂·库珀(Leon Cooper)和约翰·施里弗(John Schrieffer)基于量子力学建立。金属中的自由电子在有电压时,会在带正电的原子晶格点阵中整体产生定向漂移形成电流。通常情况下,带正电的原子晶格会存在热振动以及杂质和缺陷,由于原子与电子之间的电和磁性相互作用会干扰电子的集体漂移,从而对电流产生阻碍,即有电阻效应。这三位科学家认为,在超导体中,自旋相反、动量相反的一对电子会被因为间接与原子晶格交换能量,从而形成“库珀对”(Cooper pair),大量库珀对因为量子相干效应产生集体凝聚的波,这种波的空间尺度要远大于原子晶格点阵,可以无阻碍地穿越晶格,实现零电阻状态。
“库珀对”就仿佛是电子组合在一起舞蹈,但随着温度的升高,热运动会逐渐破坏库珀对。而如何让库珀对在温度很高的情况下也能稳定存在呢,尼尔·阿什克罗夫特(Neil Aschcroft)在1968年给出了答案,最轻的元素——氢原子或许能提供更强有力的电子配对“胶水”。氢原子体积和质量都很小,能使得电子在晶格点阵中距离得更近,电子与原子热振动的耦合也更强,库珀对结合更为紧密,这样能使凝聚的宏观量子波传播更快更远,实现室温超导电性 
但是只单纯用氢,需要500-1000万个大气压才有可能实现室温超导,如果添加另一种元素,让氢嵌入其中,也许会使条件变得不这么苛刻。2014年12月, 德国马克斯普朗克化学研究所的A. P. Drozdov和M. I. Eremets宣布在硫氢化物中发现 190 K 超导零电阻现象,压力为150 GPa,之后在2015年8月,他们已经获得了220 GPa下203 K的超导电性,该材料后来被证实为H3S [7]。这也促成了之后大家对氢化合物的大量尝试,包括ThH10、CaH6、CeH9、YH6、Lu4H23等已经被相继发现能在“高温”条件(>40K)下实现超导电性,部分材料超导温度能达到200 K以上,不过大都在100-200万个大气压条件下才能实现。


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