半月談?dòng)浾?白瑜

要說(shuō)物理學(xué)最大分支——凝聚態(tài)物理最容易“上頭條”的題目，高溫超導(dǎo)無(wú)論如何可算其一。世界上任何角落的科學(xué)家宣稱(chēng)在此方面有所突破，消息不僅會(huì)傳遍科學(xué)界，還會(huì)成為百姓群眾街談巷議的熱點(diǎn)——當(dāng)然，數(shù)據(jù)不要造假。如果像2023年那位美國(guó)科學(xué)家一樣材料沒(méi)造出卻造了烏龍，也會(huì)成為傳世笑柄。

今年2月，一支由國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者薛其坤院士領(lǐng)銜的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，宣布發(fā)現(xiàn)常壓下鎳氧化物的高溫超導(dǎo)電性。這一登上《自然》的成果，是國(guó)際物理學(xué)界交口稱(chēng)贊的高溫超導(dǎo)研究最新突破。那么，中國(guó)科學(xué)家們的貢獻(xiàn)，到底有多神奇？高溫超導(dǎo)，這次“高”在哪里？

讓我們先從超導(dǎo)是什么講起……

如何解除“低溫封印”？

為什么大家都關(guān)心超導(dǎo)？

想象一下，有一根神奇的電線，日常輸送電流，基本沒(méi)有發(fā)熱或者損耗能量的情況，甚至可以一直保持電流的流動(dòng)。這聽(tīng)起來(lái)是不是有點(diǎn)像魔法？其實(shí)，這就是超導(dǎo)現(xiàn)象的寫(xiě)照。關(guān)鍵在于，它居然可以傳遞能量不打折扣！

時(shí)間回到百余年前的1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在實(shí)驗(yàn)室里意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他把汞冷卻到約4K（“K”為熱力學(xué)溫度單位“開(kāi)爾文”，4K=-269.15℃）時(shí)，汞的電阻突然消失，這意味著電流可以在其中毫無(wú)阻礙地流動(dòng)，就像在光滑的冰面上滑行一樣。昂內(nèi)斯興奮地將這種現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)”，從此，人類(lèi)開(kāi)啟了對(duì)超導(dǎo)世界的探索。

然而，超導(dǎo)現(xiàn)象剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)，就像一處冰封的寶藏，雖然誘人，但卻難以觸及。因?yàn)橐尣牧线_(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，必須將其冷卻到極低的溫度，這需要依賴(lài)昂貴且稀缺的液氦來(lái)實(shí)現(xiàn)。液氦制冷成本極高，使得超導(dǎo)技術(shù)后續(xù)幾十年間難有突破，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)溫度一直在23K（-250℃）以下徘徊，仿佛被看不見(jiàn)的魔咒封印。

直到1986年，兩位歐洲科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)銅氧化物在相對(duì)“高溫”（-238℃）下就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。這個(gè)溫度雖然仍然很低，但已經(jīng)可以用更便宜的液氮（-196℃）來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷了。

同年年底，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)合成出一系列銅基超導(dǎo)材料，其中兩個(gè)樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為48.6K和46.3K，這是當(dāng)時(shí)世界上的最高紀(jì)錄。

更重要的是，銅氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，為超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)用化鋪平了道路。畢竟，10K左右的溫度提升，也足以讓大家對(duì)高溫超導(dǎo)的前景恢復(fù)信心。這一發(fā)現(xiàn)如同在寒冷的冰原上點(diǎn)燃了一把火，讓超導(dǎo)技術(shù)打破“低溫封印”融入生活世界有了希望。

火山口上“繡花”

經(jīng)過(guò)數(shù)十年探索，科學(xué)家相對(duì)熟悉的高溫超導(dǎo)材料家族已經(jīng)有了三位主要成員：銅基、鐵基和鎳基。如前文所述，銅基、鐵基都已在常壓下跨過(guò)破40K的超導(dǎo)效果界標(biāo)——“麥克米蘭極限”，薛其坤院士團(tuán)隊(duì)的最新成果，讓鎳基材料追上了兩位前輩，同樣沖破了“麥克米蘭極限”封鎖線。

薛其坤團(tuán)隊(duì)合影

近年來(lái)，鎳基超導(dǎo)以其豐富應(yīng)用潛力，已成為超導(dǎo)研究“兵家必爭(zhēng)之地”，各家用兵路線不同，在學(xué)界同仁看來(lái)，薛其坤院士團(tuán)隊(duì)其實(shí)選了一條險(xiǎn)途。

為何這么說(shuō)？相較于同期發(fā)表類(lèi)似結(jié)果的斯坦福團(tuán)隊(duì)“大力出奇跡”的脈沖激光沉積技術(shù)，中國(guó)科學(xué)家選擇的是極其精巧的強(qiáng)氧化原子逐層外延技術(shù)。顧名思義，這一路徑不可避免地要遭遇極強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，如同攀登一座微觀世界中不斷噴發(fā)的火山。薛其坤院士團(tuán)隊(duì)要挑戰(zhàn)的，還不止登頂火山而已，更要在火山口上“繡花”。

說(shuō)是“繡花”，其實(shí)還低估了研究的難度，不如說(shuō)是在納米尺度上“搭原子積木”。為了獲得最理想的研究材料——數(shù)納米厚的超薄膜，團(tuán)隊(duì)用去1000多片樣品，才摸索出一套“原子鉚釘術(shù)”，在極強(qiáng)氧化環(huán)境下，也固定住了原本需要極高壓才能令其穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原子層逐層穩(wěn)穩(wěn)生長(zhǎng)。

無(wú)需高壓，電磁輸運(yùn)仍能得到超導(dǎo)兩大關(guān)鍵指標(biāo)“零電阻”與“抗磁性”的理想結(jié)果，中國(guó)科學(xué)家終于將鎳基高溫超導(dǎo)材料展示在世人面前。

值得驕傲的是，中國(guó)科學(xué)家本次突破，不僅刷新了超導(dǎo)材料家族圖譜，更是在鎳基體系中驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)的普適性，為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理的科學(xué)難題提供了全新突破口。也就是說(shuō)，這次發(fā)現(xiàn)，蘊(yùn)藏著修訂物理理論教科書(shū)的希望。

薛其坤與研發(fā)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高溫超導(dǎo)研究

展望超導(dǎo)世界

零電阻、完全抗磁性，超導(dǎo)體的這兩個(gè)重要特性，令其在電力傳輸、磁懸浮技術(shù)、粒子加速器、醫(yī)療成像設(shè)備以及核聚變等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

盡管高溫超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)逐步取得突破，但科學(xué)家們的目標(biāo)遠(yuǎn)不止于此。他們一直在尋找常壓室溫超導(dǎo)體——也就是在常溫常壓下就能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。如果發(fā)現(xiàn)了這等神奇的超導(dǎo)體，也就意味著超導(dǎo)技術(shù)將徹底擺脫低溫的“封印”，真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。

超導(dǎo)世界有何不同？城市電網(wǎng)將由超導(dǎo)電纜織成“能源互聯(lián)網(wǎng)”，徹底告別停電；磁懸浮列車(chē)行駛于超導(dǎo)軌道，追風(fēng)逐電的速度將給旅客帶來(lái)更多便捷；腦機(jī)接口可以借助超導(dǎo)量子傳感器解讀神經(jīng)信號(hào)，距離意念控制成為現(xiàn)實(shí)又近了一步……

人類(lèi)用了百年時(shí)間，將超導(dǎo)溫度從-269.15℃提高了一百多度。每前進(jìn)一度，都意味著對(duì)物質(zhì)更深刻的理解和對(duì)能量更精妙的掌控。超導(dǎo)世界之門(mén)，還在等待著推開(kāi)它的有心人。

編輯：范鐘秀