我们的高级炉子,烧出的不是仙丹,但在未来可有大用途

2022年11月12日,“科普中国-我是科学家”第42期“未来进行时”现场,中国科学院物理研究所研究员罗会仟带来演讲《保福寺“烧炉工”的超导梦》【前往“返朴”观看视频】。

撰文 | 罗会仟

校对 | 尹宁流

以下为罗会仟演讲实录:

我是来自中国科学院物理研究所的罗会仟,来自北京中关村。明清时候,中关村是太监退休养老等死的地方。太监们为了保佑自己,就在那建了一个保福寺。现在,寺已经不在了,成了平房。平房旁边建起了很多科研院所,其中就有中科院的不少研究所。我们物理研究所是其中一个,所以我号称是保福寺的“烧炉工”。

我的研究方向是高温超导的中子散射研究,关心的是超导材料,所谓超导就是“超级”+“导电”。1911年,荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯发现,金属汞的降温到4.2开尔文时,电阻会从有限值到突然消失,无法测量到了。他就把这个现象叫做“超导”。这个1911年的发现,在1913年就获得了诺贝尔奖。

超导材料最重要的一个特点是,它的电阻是零,而且是绝对的零电阻。常规金属材料,比如铜、铝、金、银、铂等,这些都是导电特别好的金属,它们的电阻率大概是10的-8次方欧姆米的这么一个量级。而超导材料的电阻率至少低于10的-18次方欧姆米。如果能制造出一个特别小的超导环,里面只通1安培的电流,如此小的电流也需要大概一千亿年才能衰减到0。所以它的电阻可以认为是绝对的零。

电生磁、磁生电,电磁总是在一块的,这是初中就学过的知识。因此除了零电阻现象之外,超导材料还会产生特殊的磁现象。1993年,德国的迈斯纳发现它有一个特别神奇的磁性质,即当超导材料降低到足够低的温度时,它会排斥外磁场,就像下图的小黑块,图中的线条可以理解为磁通线,磁通线会绕着小黑块(超导材料)走,也就是说,超导材料内部的磁感强度也是零,这个现象叫做完全抗磁性。

500

超导的完全抗磁性|Wikipedia / CC BY 4.0(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

超导的第三个特点与热力学相关。超导是一种热力学相变,是一种宏观的量子凝聚态。简单来说,材料内部的电子在微观层面会成对,形成一对对的电子对。这些电子对在低温情况下会抱团,凝聚到特别稳定的状态,这个状态就叫做量子凝聚态。假设电子像一个单翅膀的蜜蜂,一只蜜蜂有左翅膀,另一只有右翅膀,单只是飞不起来的。但是如果有左翅膀的蜜蜂和有右翅膀的蜜蜂抱成了一对,向同一个方向飞,就可以飞起来,形成没有阻碍的电子对运动,这就是超导基本的微观物理图像。

500

超导基本的物理图像|李政道授意、华君武漫画(孙静重绘)

有了超导的基本物理图像后,可以实现很多神奇的现象。在电影《阿凡达》中有一座悬浮在天空中的大山。之所以可以悬浮是因为山里贮藏着神奇的矿石,这些矿石就是室温超导矿石。这种悬浮就是超导磁悬浮,不需要科幻,在现实中就可以实现。

500

超导磁悬浮|phys.org及supraconductivite.fr

进一步说,如果做一个与高铁轨道相似的磁轨道,我们就可以把超导的小块,给悬浮起来。甚至也可以安装一个机关,控制这些悬浮小块的运动速度,来一场“超导追逐赛”。

超导量子驱动磁悬浮追逐赛 | 原力超导公司提供视频【前往“返朴”观看视频】

超导材料并不罕见,事实上它们很常见。从1911年发现超导材料至今,一百多年的历史,发现了一万多种超导材料,元素周期表中有很多都是超导材料。而整个人类历史上发现的无机化合物大概也就几十万种而已。我们更关心的是,这么多不同种类的超导材料是否能为人类所用。不同材料的参数不一样,所以我们希望超导材料的超导温度不要像金属汞那么低,希望它可以尽量高一点,这样可以节省降温成本和难度,才能实现大面积应用。

但是很遗憾,目前已知的绝大部分超导体它的超导温度都是低于40开尔文的。40开尔文是常规超导温度的理论上限,但科学家仍孜孜不倦地探索,找了新超导材料来突破极限。目前找到两个家族的超导材料,主要是铜氧化物和铁基超导体,它们的超导温度是可以超过40开尔文的,因此被叫做高温超导材料。

“高温”到底有多高?其实也没有很高,铜氧化物最高的超导温度记录是135开尔文,相当于零下138摄氏度。铁基超导块体的最高超导温度是55开尔文,相当于零下200多摄氏度,都是非常非常低温的,而这就意味着,更低温的常规超导想要在现实世界中大规模应用,需要消耗很多能量去给超导材料降温,这将会是很大的成本。

因此,高温超导材料是非常重要的。

上世纪80年代,第一类高温超导材料被发现。发现者是瑞士IBM公司的两个员工,1986年,他们发现铜氧化物的超导可以达到临界温度35开尔文的高温。这两个瑞士人也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。我们华人科学家在高温超导领域的研究也是非常厉害的。1987年,中国物理学家赵忠贤、华人物理学家朱经武和吴茂昆独立地发现了在镧钡铜氧材料里面换一种元素钇,它超导的温度可以达到93开尔文,突破了液氮温区。这意味着,这种材料利用液氮制冷就可以用,制冷的成本和难度都大幅降低。

2008年,中国在铁基超导研究领域也做出了非常重要的贡献,发现了很多铁基高温超导材料,下图中每一个小红点都是我们中国人贡献的。不仅如此,很多高温超导的物理方面的研究也是由中国人首次开展的。当时Science期刊也重点报道说,新超导体把中国物理学家推向了世界最前沿,这也是我亲身经历的。

500

铁基超导体发现时间及其超导临界温度|罗会仟著《超导“小时代”》

研究高温超导很前沿,也很难。还好,有一个简单的第一步,烧炉子。对于我们做超导材料研究的人来说,首先要学会“炒菜”,把各种元素混在一起,形成想要的化合物。为确保得到那个化合物,需要借助不同的炉子,比如,箱式电炉、管式电炉、立式电炉,还有更复杂的叫做提拉炉、布里奇曼炉等。这些炉子五花八门,参数不一,不同的材料采用不同的炉子。

读博五年,我有四年都在烧一个叫做移动光学浮区炉的炉子。这是一种高级的炉子,名字也挺复杂,需要用光加热。移动光学浮区炉有一个反射镜,反射镜上方有一个灯泡,把光聚焦在容器里原材料的某个点上,这一点的温度会变得很高,可以熔化原材料。再缓慢地移动,熔化的材料就会降温结晶。

500

移动光学浮区炉|中科院物理所SC1组

500

一根根棒子就是长出来的晶体 | 罗会仟供图

这个过程看似简单,却很漫长。因为不同的超导材料的生长速度不同,有些晶体(即超导材料)需要整整一个月的时间才能长出来。这段时间,我们需要24小时监控它的状态,因为需要随时调整参数,这样才能长出我们想要的样子来。万一哪个参数不对,晶体生长就有可能停止,更严重的情况,还有可能发生危险。这就是做超导研究的第一步,通过烧炉子获得实验样品。

对于高温超导体来说,有两个非常重要的相互作用,第一是电的相互作用,第二就是磁性相互作用。它们两者合并在一起产生了超导这个现象。就像冰箱里塞了一头猛犸象和一头大象,超导相当于两个庞然大物脚下的一只小老鼠。这个超导虽小,但却很厉害,就像下图中,凭小老鼠的力量就能将冰箱门关上一样。我们研究的就是小老鼠关门这一个过程是怎样实现的,也就是,在材料里面,电和磁的相互作用是怎样实现超导的。

500

高温超导体中的两大相互作用|Science

我做的实验叫做中子散射,用中子探测材料的磁性。中子散射实验对样品的需求量极大,如果常规实验的需求在毫米或者毫克量级,那我的实验需要的是厘米或克量级的样品。我们曾使用2200片样品来完成一次实验,这也成为了一个世界纪录。

500

一次中子散射实验需要的2200块样品,依次定向排列|罗会仟研究团队的洪文山同学供图

中子不带电,但是有磁性,既可以轻松地穿过实验材料,又可以跟材料中的磁性相互作用,是材料磁性的超级“探针”。将中子打入实验材料,可以看到材料内部原子的分布和运动情况,也可以看到磁性的相互作用,就是我们的电子可以看到一个个小磁针,它在空间也是有一定的分布的,我们可以看到这个结构,同时这些小磁针是有相互作用的,它们会一起跳舞,这个过程叫做自旋波或者叫自旋涨落。

中子散射能够探测到这个过程,便可以直接告诉我们,在所研究的材料中,电和磁的相互作用是怎样的。我的研究主要是针对铁基高温超导体,我们都知道超导材料进入超导状态以后,材料里面的电子会发生配对,然后再凝聚,就像前面说到的蜜蜂一样。在配对的过程中,电子的磁性也会有一些奇怪的行为,它会跟这些超导电子对发生共振,形成一些特定的磁性动态行为。我们对这些动态行为进行观测,可以跟这些材料物性联系上来,便可以知道高温超导到底是怎么发生的。

高温超导研究领域出现之前,绝大多数物理学研究认为电子间的相互作用很弱,可近似为单个电子运动。但现在我们发现越来越多的超导材料,它们的电子间相互作用力很强,所以我们必须考虑电子之间的相互作用很强的时候,会出现什么样的现象,这也涉及多体物理学。目前没有相关的物理框架能够很好地理解这个问题,所以实验的每一个发现都可能是开创性的。我们希望能够通过高温超导揭示多体相互作用的机制,这对于物理学来讲是具有革命性的事情。

听起来,好像只需要拿中子打一下实验就完成了,但实际上做这些实验很难。因为产生中子本身就是非常困难的事情,因此我们需要去全世界不同的中子源去完成实验。

500

中子散射实验室遍布全世界|http://csns.ihep.cas.cn/

中子源是大科学装置,它的一个特点就是大。我们看日本散裂中子源的一部分,这张图里面有一个站着的人,但如果不仔细看都发现不了。

500

中子源的一个特点就是大|罗会仟拍摄

500

位于广东东莞的中国散裂中子源|http://csns.ihep.cas.cn/

我们中国也可以开展这样的实验了。如上图,中国散裂中子源已在广东东莞大朗镇建成,并且已经开始运行了。非弹性中子散射的谱仪今年也将建成。将来有越来越多的中子散射实验可以在我们中国开展。

超导材料已经广泛应用在我们的生活中了,比如,我们去医院做核磁共振,一定对设备上的那个大圆圈印象深刻,那个大圆圈里面就是超导磁体。还有,在深圳第一高楼平安大厦,楼里最后一公里的电线中就采用了超导材料。我们知道超导材料的一大优势就是零电阻,用来做电线就可以大大减少输电过程中的损耗。

未来,我们还可以使用超导材料建造人工可控的核聚变反应堆,也叫做人造小太阳,如此一来可以提供相当大的能源。当然,这是一个正在进行时的工作,科学家还在努力中。不仅如此,在未来,我们使用的计算机、甚至手机,都可能会被超导量子计算机、手机所替代,其运行速度将会实现N个量级的提升。

我们还可以进一步发挥想象,如果超导材料足够理想的话,我们甚至可能可以造出一个特别厉害的发动机,这个发动机几乎是永久续航的。这样一来,将这个发动机安装在核潜艇或宇宙飞船上,下海或驰骋太空的过程中就不需要返航蓄能了,可以一往无前地探索海之深、天之高,甚至寻找我们人类的下一个家园。

谢谢大家。

500

演讲嘉宾罗会仟:《保福寺“烧炉工”的超导梦》 | 拍摄:Vphoto

本文经授权转载自微信公众号“我是科学家iScientist ”,编辑:小贩儿、杨喜九。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“,可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号,回复四位数组成的年份+月份,如“1903”,可获取2019年3月的文章索引,以此类推。

站务

全部专栏