高温超导新浪潮

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铁基高温超导体的出现,掀起新一轮超导热潮,它能否为人类最终走向“超导技术革命”带来真正的曙光

《财经》记者 徐超

每年一度的美国物理学年会,堪称全世界物理学家们的盛会。会议所关注的前沿话题,在很大程度上扮演着“风向标”的角色。

3月16日至3月20日,在宾夕法尼亚州召开的2009年年会上,最大的热点非高温超导莫属。在大会安排的共计501场讨论中,有54场均与高温超导体有关,铁基超导体占了27场;每个涉及高温超导的会场中,无一例外挤满了听众。

这一幕,似乎让人恍然回到1987年的年会。那是高温超导历史上真正的“黄金时代”。当时一个关于高温超导的议题,先后有51名科学家发表演讲,听众达2000多人。

时隔20多年后,“高温超导热”重来。中国科学院物理研究所研究员、国家超导重点实验室主任闻海虎告诉《财经》记者,自2008年初第一个铁基高温超导材料诞生以来,全世界已有数百位科学家加入铁基高温超导材料研究的大军。

而一旦高温超导能够取得突破,甚至实现常温超导梦,也许我们每个人的生活和所处的整个时代,都会为之改变。

超导之秘

超导现象的首次发现,要追溯到1911年。当时,荷兰物理学家昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)在利用液氦对汞进行冷却时,发现了一个令人吃惊的现象:当温度下降到4.2K(K为绝对温标,0K=-273.15℃)时,电阻突然一下子完全消失了。也就是说,如果把超导体作成一个环,在环中感应出电流以后,电流能在超导环中永无休止地运行下去。而对于普通物质来说,一旦电源被切断,由于电阻的作用,电流很快就会停止。

这种在当时看上去不可思议的现象,被人们称为“超导”。到了1933年,德国物理学家弗里茨・迈斯纳(Fritz Walther Meissner)和罗伯特・奥森菲尔德(Robert Ochsenfeld)发现,超导体体内的磁场恒等于零;也就是说,超导体拥有完美的抗磁性。

但是,超导现象到底是如何产生的,在很长时间内一直困扰着物理学界。因为并不是所有的金属都会在低温时出现超导现象。有些金属哪怕降温到不能再低的0K,仍然顽强地保留着电阻。

试图征服这一理论难题的“失败者”名单,可以排出长长的一串来,其中甚至包括爱因斯坦、海森堡等物理学大师。

直到1957年12月,美国伊利诺斯大学的约翰・巴丁(John Bardeen)教授、利昂・库珀(Leon Cooper)博士和罗伯特・施里佛(Robert Schrieffer)博士提出了一个新的理论,即BCS理论(B.C.S. theory),才初步揭示了超导成因之谜。

根据这种理论,电子在普通金属中流动时,会因为被晶格离子散射而消耗能量,从而形成电阻。而在超导体中,由于电子和晶格离子之间的一种特殊相互作用,使得两个电子之间会形成束缚对――库珀对(Cooper paris);这种电子对作为整体并不会被晶格散射,从而可以像幽灵一样无阻地流动,表现出超导性。此外,由于组成库珀对的两个电子间的作用力大小不同,也决定了不同物质进入超导状态的转变温度往往各异。

但这种超导理论所带来的也许并不都是好消息――根据这种理论,超导体的临界温度不大可能高于40K,即大约零下233摄氏度。而温度过低,显然会极大地限制超导体的实际应用,哪怕仅仅在科研领域。因为要创造如此低温的环境,就需要庞大的制冷设备;而其实际的运行和维护成本,很可能是一个天文数字。

在此之后很长的一段时间内,人们发现的超导材料确实都没有突破这一极限。即使到了1973年,合金超导材料出现之后,其转变温度也仅仅被提高到23K。

第一次浪潮

幸运的是,物理学家的困局并没有持续太长时间。引导这次革命性突破的,是当时在美国IBM公司工作的缪勒(K A. Muller)和柏诺兹(Johannes George Bednorz)。

1986年1月,他们在把钡搀杂进镧铜氧化物之后,成功地获得了一种转变温度高达35K的陶瓷材料。这一转变温度,比之前的记录一下子提高了12K。

不过,当年4月,当这一成果刊登在并不太知名的德国《物理学期刊》上时,并没有受到多少人真正关注。一直到七个月后,美国休斯敦大学和日本东京大学的研究小组,在各自的实验室中分别验证了这一发现后,人们才真正意识到,一个新的“高温超导”时代已经来临。

之后,包括中国、美国、日本以及欧洲在内,全世界数以百计的实验室都投入到这场高温超导新浪潮中去,转变温度的记录也一再被刷新。

其中,时任中国科学院物理研究所研究员的赵忠贤(现为中国科学院院士)所领导的研究小组,就是位于这一前沿漩涡中心的团队之一。1987年初,该小组在世界率先独立发现了液氮温区超导体,即转变温度超过77K的超导体。之前,由于转变温度过低,人们只有使用价格极其昂贵和复杂的液氦进行冷却;而跨越到液氮温区,无疑会大大降低冷却成本。

这一次超导热潮,整整持续了八年。作为新一代主流超导体材料,铜氧化物的转变温度最终被成功提高到了164K(高压状态下)和134K(常压状态下)。同时,随着研究的逐步深入,高温超导材料的应用也开始起步或者说萌芽。

目前,用高温超导材料制成的磁铁,已经成为科学家探索未知物质世界的有力武器之一;因为不用担心它因电流过大带来的散热问题,所以可以产生更强、更稳定的磁场。无论是在已经启动的投资高达上百亿美元的国际热核聚变项目(ITER)中,还是一些空间探测器中,超导磁铁都是核心部件之一。

很多医用的核磁共振(NMR)仪器,都已经采用了超导磁铁。超导磁铁还可以用于未来的磁悬浮列车,它产生的强大磁力,足以使得列车悬浮在大约12厘米的轨道上空。目前常规磁铁只能提供大约2厘米的悬浮力量。

此外,在电力传输领域,超导材料也表现出惊人的应用前景。中国科学院电工研究所研究员肖立业对《财经》记者表示,除了不存在任何传输损耗,超导材料单位截面积传输的功率,也往往比传统铜电缆高出好几倍。目前,中国很多城市地下管道容量有限,如果采用超导电缆,就可以利用现有的管道满足不断增长的电力需求。在美国新出台的能源变革计划中,超导电网已被提到了国家战略高度。

当然,一旦超导技术可以与现有集成电路技术实现完美结合,很可能会引发一场革命。因为超导集成电路的功耗极低,即使运算速度再快100倍,也不会有散热问题。实际上,目前美国、日本等国家的科学家,都已经研制出运算速度超过100GHz的超导集成电路。想想看,一台或许用干电池就可以驱动、但运算速度比传统计算机快100倍的超导计算机,到底会带来什么?

从铜到铁

然而,铜基高温超导材料的成本,往往几十倍甚至上百倍于普通的铜;加上低温制冷系统庞大的维护和运行成本,使得高温超导材料的普及仍然十分遥远。

如果能在铜氧化物之外,找到一种成本更低廉、性能更优越,以及转变温度更高的新的高温超导家族,无疑就有可能帮助人们摆脱这种尴尬局面。

2008年2月23日,日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授宣布,一种以铁为基础的砷化合物,能够在26K的温度下显示出超导特性。

之后,中国科学院物理研究所、美国能源部橡树岭国家实验室、中国科学技术大学、日本东京工业大学、中国科学院电工所、浙江大学、英国剑桥大学和牛津大学等研究小组,不断发现新的铁基超导材料,一个全新的铁基超导体家族已经逐步浮出水面。铁基超导体的转变温度,目前也被提高到了56K。

在中国科学院物理研究所研究员、国家超导重点实验室主任闻海虎看来,与传统铜基超导体相比,铁基超导体无疑有着更为广泛的应用前景。

除了铁的价格本身要比铜便宜,铁基高温超导材料拥有更高的上临界磁场,这就意味着,可以产生更强的磁场。更重要的是,其相干长度比较长,这意味着其超导性对于材料的颗粒间联合的要求相对低一些,对于缺陷的容忍程度也更高。今后,也许一般的加工工艺,就可以满足制备高温超导材料的要求。倘能如此,其成本无疑会大幅下降。

目前铁基超导体的最高转变温度,仍然无法与铜基超导体相比,但不少专家在接受《财经》记者采访时都提醒说,铁基超导体的问世只有14个月时间;随着研究逐步深入,其转变温度仍有望进一步提高,超过77K的液氮温区并非奢望。

或许,正如今年1月29日出版的英国《自然》杂志的一篇评论所指出,铁基超导体更大的意义,并不在本身的应用。通过比较铁基超导体与铜基超导体的异同之处,科学家就有可能彻底揭开高温超导的形成之谜。也就是说,铁基超导体,也许能成为一把解码高温超导的潜在“钥匙”。

闻海虎告诉《财经》记者,无论是铜基还是铁基高温超导材料,均非常规超导体,即无法用传统的BCS理论来解释其形成机制。当然,无论其内部结构还是应用,两者都有很大的不同:铜氧化物高温超导体的母体材料是绝缘体,而铁基高温超导材料的母体材料是一种金属。

浙江大学物理系教授袁辉球也对《财经》记者指出,虽然铁基材料具有二维的层状晶体,但是其超导特性是三维结构的。也就是说,铁基高温超导材料的上临界磁场,不随晶体结构和外加磁场的方向改变而改变,这将大大拓宽其应用前景。

常温超导梦

在过去的20多年,科学家们一直希望能找出令人信服的理论,来解释高温超导体的内在机制。因为只有在理论上取得突破,才能更有目的性地去寻找新的材料,从而最终合成成本更低廉、转变温度更高的高温超导体,甚至实现常温超导梦。

但遗憾的是,到目前为止,还没有哪种高温超导理论真正得到了广泛的公认。中国科学院物理所极端条件物理重点实验室研究员王楠林对《财经》记者坦言:“业界曾有一句诙谐的说法――有多少超导理论研究者,就有多少高温超导理论。”

在可以预期的将来,无论在实验还是理论两端,高温超导研究还都将继续向前。中国科学院物理研究所研究员、国家超导重点实验室主任闻海虎对《财经》记者指出,现有的铁基高温超导材料中的砷,是一种有毒元素。所以,寻找一种可以代替砷的超导性材料,至少是下一步的热点之一。

在接受《财经》记者采访时,大多数科学家都对铁基高温超导材料的应用表示乐观。他们相信,不久的未来,这种铁基高温超导材料,会大大降低超导体和制冷系统的成本,从而得到更广范围的应用。

日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授在接受《财经》记者采访时,则提醒人们应以更大的尺度来关注高温超导的未来。毕竟,人们不应该忘记半导体产业走过的轨迹:1947年,当威廉・肖克利(William Shockley)及其同事在贝尔实验室发明晶体管时,没有人会想象得到半导体会拥有今天这样无可替代的地位。

“尽管不可能有准确的时间表,因为重要的事情几乎总是突然出现,但我认为,未来的20年,对于高温超导来说至关重要。”他补充说。

很显然,终点指向常温超导的这场竞赛,或者说革命,不仅仅关系到科学家的荣誉,或者可能的诺贝尔奖,更将深刻地影响到人类能源和环境问题的根本出路。著名的超导专家马梯阿斯(B. T. Matthias)曾经断言:“如果在常温下,例如在27摄氏度左右实现超导,那么现代文明的一切技术都将发生变化。”

值得庆幸的是,经过20多年的积累和磨炼之后,在最新一轮的铁基高温超导浪潮中,中国科学家仍然保持了前沿姿态。四名中国科学家就被邀请在美国物理学年会上介绍铁基超导体方面的最新进展。第一代高温超导浪潮的见证者、中国科学院院士赵忠贤也颇为欣慰地对《财经》记者表示,最新的答案,将由“更为年轻的一代研究者给出”。

当然,这场长跑还远未到终点。毕竟,我们无论在理论创新、测试手段、专利保护还是在产业转化方面,都存在不少薄弱环节。■