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高温超导新宠——铁基超导

作者:to88通盈官方网站 发布时间:2020-09-28 02:29 点击数:

  2009年1月15日10时30分,中国科学院赵忠贤院士接受腾讯网专访,漫谈了超导和超导研究。

  郭桐兴:各位观众,大家上午好!欢迎大家来到院士访谈。我们今天非常荣幸地请到了中国科学院院士、第三世界科学院院士、中国科学技术协会副主席,中国科学院原学部咨询评议委员会主任,中国科学院物理研究所学术委员会主任,我国著名的超导物理学家赵忠贤院士。

  郭桐兴:今天我们想请赵老师就超导与超导研究这个话题谈一下他个人的看法。首先我们想请赵老师介绍一下什么是超导?

  赵忠贤:各位上午好!首先我也很感谢,也对不起,因为郭先生已经坚持让我做这个节目有一年多了,现在借这个机会向大家介绍一下超导的问题。什么是超导?超导就是一种材料在一定的温度以下,电子可以无阻地流动,这就叫超导。我们可以看到这样一个示意图,一个由超导材料做成的线圈当通上电流以后再把它闭合起来,进入超导态以后,电流就无阻地在线圈里面流动。电流究竟衰减时间有多少呢?后来实验证明衰减时间超过十万年,十万年以上才能够看到有衰减。所以物理上我们就认定电阻等于零。超导体另外一个性质是不能把超导体看成是一个电阻等于零的“理想导体”,因为它有另外一个现象,这个现象就是大家有时候可以在科技馆可以看到的,一个磁体或者是一个超导体,下面是一个磁体或者是超导体,两个其中有一个是超导体。假如上面是超导体的话,你先把它放在一个磁铁上,当你把它降温到超导态后它自己就会悬浮起来。这是什么原因呢?这是因为磁力线原则上可以全部排斥出去。也就是说超导体变成了一个在理想情况下是一个近似理想的抗磁体。就表明在超导体里面所有的电子都处于一种互相关联的一种状态,我们一般管它叫做宏观的量子现象。这两个特点就是超导体最基本的性质,所以你可以说一个超导体它不是一个在电阻等于零的“理想导体”,而是一个新的物理现象,这就是超导。

  郭桐兴:请您给我们简单介绍一下,就有关超导研究的发展历史,超导是怎么被发现的?

  赵忠贤:超导的发现实际上已经近百年了,后年就是一百周年。它在1911年由荷兰的物理学家卡梅林-昂尼斯发现的。首先他把氦气液化了,获得了低温。获得了低温后他研究金属在低温下的性质。大家知道金属它为什么会有电阻?一个是受金属离子形成的晶格振动的散射,一个受杂质的碰撞或散射,如果把材料做得非常纯,只剩下晶格振动的散射,在温度很低的情况下,晶格基本上它是处于本征振动,不会发生散射。在这种情况下,他要看电子运动的电阻行为到底是什么样的。他选择的材料是水银,水银因为它容易蒸馏,就像蒸馏水一样可以蒸馏,蒸馏的非常纯就几乎没有杂质了。拿水银再做实验,做到低温下发现它到4.2K的时候,电阻就突然掉到零了,没有电阻了。他经过了好长时间和多次的检验之后,发现即使有点杂质它的电阻还是要到零。后来他经过了多次的实验反复证明,就确定发现了一个新的现象,这个新的现象他把它命名为超导电现象。这种性质就叫做超导电性。这就是在1911年在荷兰发现的,卡梅林-昂尼斯由于实现了氦的液化,发现了超导性获得了诺贝尔奖。这就是早期的超导发现。在这之后,很多人关心超导的问题。两种。一种关心的是为什么可以超导?一种关心它能不能应用。在很长时间里面都没有达到目的。但是它在物理上来讲是非常吸引人的一个结果,包括爱因斯坦在1915年之前也对超导现象非常感兴趣。但是后来他认为实验数据太少,所以他就不再做这个事。这件事经过了两次世界大战,第一次世界大战以后,很多人又开始研究超导。最后又在第二次世界大战时停下来。第二次世界大战结束以后,又开始研究超导这个问题。一直到1957年三个美国的物理学家,他们提出一个理论,这个理论因为用三个人的名字打头的称为BCS理论,这三位提出了一个理论,解决了描述超导现象的微观理论问题。形象化我们可以把它看成相当于晶体里面有一个电子在运动过程中把周围的离子稍微极化一点,极化以后就等于把第二个电子吸引过来,这样两个电子好像关联起来,就配成对了。但是整个配成对过程,实际上也可以把它看成是通过离子形成的晶格的振动。这样模型就相当于两个电子配成对,再凝聚起来。配对是通过离子形成的晶格的振动,晶格振动的量子化就叫做声子。所以我们管它的作用叫做电子和声子相互作用形成了超导性。有一个物理学家费曼他用打鼓的办法来形容。你把两个球放在鼓皮上,这两个球之间没有什么作用。当你把鼓敲起来,总有一个鼓面有“凹”的时候,这两个球就到一块去了。用这个来说明电子和声子之间的相互作用。1957年这个理论出来以后,后来得到了很多人的认可。所以大概1973年他们获得了诺贝尔物理奖,在这一段时间,人们一直还追求能不能找到一些新的材料,让这个材料能够有用。这个材料实际上两方面,一个是利用后来发现的超导隧道效应,做出一些器件来,有一种器件叫做“超导量子干涉磁强计”。它的用处可以作来检测最灵敏的电磁信号。比如说磁场,地球磁场的几亿分之一的变化都能够检得出来,实际上是最灵敏的。另一个努力是找到一类材料,这种超导材料通过很大电流的时候,同时在产生很强磁场的情况下,依然保持超导性。我们把这种材料叫做实用超导材料或者叫做第二类超导体都可以,它可以有实用价值,比如做超导磁体。使用这种材料,有磁场的情况下也能通过很大的电流并保持超导态,这样在电工方面它就很有用了,所以我们称这样的材料为实用超导体,因此在60年代初,就出现了一个新的技术,叫做低温超导技术。为什么叫做低温呢?因为超导体都要放在比较低的温度下,液氦温区情况下它才能够保持超导状态,所以就叫做低温超导技术。那一段时间有比较大的发展。以后,大家一直追求的,一个是在这种低温超导体技术上怎么发展。另外一个是寻找新的超导体。寻找新的超导体一直到1986年才有了突破,就是在铜氧化物里面找到了超导体(获得了诺贝尔奖)。后来由于中国、美国几国科学家又把温度提到液氮温度以上,形成了超导的热潮。因为超导临界温度在液氮温度以上,应用就更方便。在后来的时期,大家又是在理解铜氧化合物为什么会超导?怎么来用铜氧化合物做一些超导的应用。而最近,就是2008年,在铁基材料里面又找到了超导性。虽然它没有铜氧化物超导转变温度高,但是它比金属合金的低温超导的转变温度要高。比如说现在最高记录是我们小组现在保持的55K。但是这个材料有一个特点,它比铜氧化物有更好的延展性,临界磁场比较高,相干长度相当长。相干长度长会有很多应用潜力。同时大家在做应用研究的过程中,也在找新材料和研究新超导材料的机理。这就是从发现到现在为止不断在前进的简况。

  郭桐兴:您刚才谈到了低温超导。还有一种说法就是刚才您谈的所谓就是高温超导?低温超导和高温超导有什么不同?

  赵忠贤:如果从温度范围来分,因为任何一个低温状态下都希望有一个保持温度的环境。在液氦温度附近也就4K或者10K以下,这个我们一般认为它是低温超导。因为它要用极低温的情况下来运行。后来发现的铜氧化合物它的临界温度是77K以上,甚至可以到133K。到这样相对高的温度情况下,它依然可以保持超导性。相对低温来讲,我们把那个临界温度较高的就叫做高温超导。实际上我们在使用的情况相对于室温都是在比较低的温度下,不同的就是高温超导的转变温度比低温超导的要高。

  郭桐兴:赵老师您能否给我们介绍一下,有关超导研究的现状大概是什么样的情况?

  赵忠贤:现状我刚才大概也提了一下,基本上是这样。一、超导材料的应用,大家知道因为它的应用主要就是在电工上用,所以它的影响面,特别是现在能源问题上重要,它是一个开源节流的能源材料。因为,基本上输送电流时电阻等于零,做一个磁体也消耗能量很少。用它做一个变压器也好,或者做一个发电机和电动机也好,它都是体积小,重量轻,而且功率大。应该是一个能源的材料。因此现在大家一直希望把现在已经有的高温超导怎么把它用好,降低成本用上去。

  另一方面是我能否找到新的材料,这些新的材料,或者是更方应用,或者是临界温度更高。比如说就在室温的情况下可否实现超导,这就是大家一直追求的目标。这个问题要解决,应该说对电力工业来讲就是一个革命。这就是大家研究的第二个方面。

  第三个方面,为什么会超导?从物理学来讲,因为这是一个更加复杂的一些量子力学问题。通过对规律的认识,不仅有助于去找新材料和怎么用新材料,而且对物理学的发展有推动。因为对物理学的推动,你就可以在更深的层次上来推动其他的学科的发展。

  郭桐兴:现在您说中国与世界相对发达国家做比较的话,我们中国超导研究大概处在一个什么位置?

  赵忠贤:过去人总是要问你们处在什么位置。你要说你世界领先,你也有很多地方不领先,也有领先的地方,也有不领先的地方。如果你不说这一句话,因为现在的评估体系,总希望说你是领先的才好。所以后来我想了一个词叫做“在前沿的漩涡之中”。在前沿的漩涡之中就是一会儿在上,一会儿在下。但是不管怎么说这个漩涡是前沿,你能够进入这个漩涡之中,比如说在1987年在搞铜氧化物超导体的时候,中国当时就是世界领先。但是很快别人就上来了,甚至超过你。去年2008年铁基超导体从日本开始,最后中国科学家把它做得很好。美国的“科学”杂志有一篇评论文章标题就是“新超导体的发现,把中国科学家推向世界前沿”。这说明做得还是不错。在高温超导体方面,中国科学家做得确实是不错。但是你说你一定是领先别人,别人也发展得很快。在整体水平上,包括应用、物理方面的研究,我相信我们还有一定差距,但是尽管有差距,应该说只要我们努力,我们在一些方面就可以领先。有一些方面落后,有一些方面领先。也就是说还是很有潜力在国际上能够走在前面的。

  为了寻找更广泛应用于实际生产生活的超导体,物理所和中科大的科学家们在铁基高温超导研究中引领了国际研究的热潮。【详细】


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