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如何寻找室温超导体?
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如何寻找室温超导体?

超导体是一种具有以下两种特性的材料:在达到特定温度和磁场条件下,①电阻消失;②完全排斥内部磁场。
这几年出现了多起 “室温超导”的事件,但今年美国罗切斯特大学公布了迪亚斯团队发现所谓“室温超导”的几项研究的相关调查结果,认为业界对迪亚斯的16项学术不端指控均成立。换句话说,室温超导可能就是个烟雾弹。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?如果要寻找室温超导体,可以从哪里入手呢?科学家们在这方面,还是有哪些可行性方案呢?

这几年出现了多起 “室温超导”的事件,但今年美国罗切斯特大学公布了迪亚斯团队发现所谓“室温超导”的几项研究的相关调查结果,认为业界对迪亚斯的16项学术不端指控均成立。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?

迪亚斯曾两次宣布他观察到室温超导现象。

迪亚斯曾两次宣布他观察到室温超导现象。

从理论上看,实现室温超导,总共分三步:

①合成一个材料;

②在室温下测它的电阻为零;

③测磁化率是负的抗磁性。

但这些看似非常简洁的步骤,在实操起来却是非常之困难!

1.室温下-100%的抗磁性难达到

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?把它扔到一块强磁铁上,会悬浮起来就是超导磁悬浮么?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!

安德烈·海姆的悬浮青蛙

安德烈·海姆的悬浮青蛙

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,也是抗磁的,但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!

超导磁悬浮

超导磁悬浮

而且超导磁悬浮,可不是因为它的抗磁性,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。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!

2.电阻为零很难测

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波动,而且一会儿为正,一会儿为负。据目前最好的实验精度,超导体的电阻率上限在10-24Ω·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。

3.室温超导材料未知

至今为止,我们并不清楚室温超导材料的形态、组分、元素配比、晶体结构等等。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。

迪亚斯等人声称发现的镥-氢-氮“室温超导体”。

迪亚斯等人声称发现的镥-氢-氮“室温超导体”。

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。严格来说,室温指的就是300 K,也就是26.85℃。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,像迪亚斯这样学术诈骗的层出不穷,但无一例外,都经受不住以上三步的拷问,最终都被鉴定为乌龙事件。

那在科学方面我们如何寻找室温超导呢?

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。

激光光谱法在 Dias 博士的实验室中触发室温超导实验中的化学反应。

激光光谱法在 Dias 博士的实验室中触发室温超导实验中的化学反应。

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。

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。

各种高压氢化物超导体

各种高压氢化物超导体

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。

电影《阿凡达(Avatar)》

电影《阿凡达(Avatar)》

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?

本篇文章 采写 自 科普中国网 ,更多详情参考 原文出处 ,原文标题:《寻找室温超导体,科学家有哪些可行方案?》作者:星空计划
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