把“命门”掌握在自己手中

刚刚过去的国庆黄金周,中国科学技术大学超导研究团队除了收看国庆70周年庆典外,每天依然到实验室里工作。

“下一个可以用来划分时代的材料,可能就是室温超导体。”在中国科学技术大学教授吴涛眼里,他们所从事的超导研究充满魅力。“如果发现室温超导体,我们出门可以坐上悬浮的超导车,甚至手机、手提电脑充一次电,就能用上好几个月。”正是带着这样的梦想,中国科学技术大学超导研究团队在这一领域里已经坚守了20余年。

突破超导研究的禁区

超导,是指某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。在超导研究的历史上,已经有10人获得了5次诺贝尔奖,其科学重要性不言而喻。

1911年,荷兰科学家发现水银在极低温条件下的超导性,开辟了科学研究的新领域。1986年,德国科学家与瑞士科学家发现了临界转变温度为35K的铜氧化物超导体。

令科学家困扰的是,超导体的转变温度不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。

40K的极限温度能否被突破?在两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体后不久,包括中国科学家在内的研究团队将铜氧化物超导体的临界转变温度提高到液氮温区以上,突破了麦克米兰极限温度,使其成为高温超导体。

“铜氧化物高温超导体家族有两个主要缺陷,作为金属陶瓷材料加工工艺严苛,综合成本高,影响广泛应用。此外,铜基超导并没有解决高温超导电性机理丰富的物理内涵。”吴涛告诉科技日报记者,要揭开高温超导的原理,广泛应用,寻找到临界温度更高的超导体势在必行。

铁基化合物由于其磁性因素,曾一度几乎被国际物理学界断言为探索高温超导体的禁区。

2008年3月,中科大陈仙辉研究组和中科院物理所王楠林研究组同时在铁基中观测到了43K和41K的超导转变温度,突破了麦克米兰极限,证明了铁基超导体是高温超导体。紧接着,中国科学家团队不仅率先使转变温度突破了50K,并发现了一系列50K以上的超导体,也创造了55K的铁基超导体转变温度纪录,被国际物理学界公认为第二个高温超导家族。

寻找更高转变温度的超导材料

突破了麦克米兰极限之后,全世界科学家对超导材料的探索又一次陷入了迷茫,在高影响因子的期刊上发表高温超导论文变得愈发困难。

中科大的超导团队却一直坚守着这块阵地,无数次地制备、观察、放弃、重新开始……为了拨开超导研究的迷雾,他们提出了“新型二维层状非常规超导材料”这个新的研究方向。

吴涛告诉记者,由于铜氧和铁基超导体均为层状结构,承载超导电性的关键结构单元分别是CuO2面和FeAs/Se层,被称作“超导基元”,目前确认的非常规超导体大都表现出此种结构特点。

“这些材料与通常的超导体在超导机理上有所不同,传统超导体的机理主要是基于电—声子相互作用的BCS理论,二维层状非常规超导材料的超导机理一般被认为不能用BCS理论解释。”吴涛认为,对铜氧化合物超导体及铁基超导体的微观机理的了解,会极大推动凝聚态物理学的新发展;同时,一旦发现更适于应用或具有更高临界温度的超导体,便可能像集成电路那样成为带动世界经济社会发展的新增长点。

目前,比较公认的超导研究核心重点有两个:第一个是新型(高转变温度)非常规超导材料,第二个是高温超导(以及非常规超导)的机理问题。

“我们依据二维结构单元与超导电性之间的普适关联性,以构筑二维层状超导单元为基础,通过块层、异质结设计等研究思路来探索非常规超导电性。”吴涛告诉记者,作为国家重大专项,在实施两年多的时间里,已经利用电化学插层法成功合成出两种新的铁硒基高温超导材料,并且发现这些新的超导材料具有与铜基高温超导体相似的超导预配对现象,还发现了二维结构对铁硒基超导体中高温超导的形成具有重要的影响。“这些新的发现将为建立普适的高温超导机理提供关键的实验证据。”吴涛表示,在新的研究方向上,可能有助于发现新的具有超高临界场和临界电流密度的实用型超导体。

探索更适于应用的超导体

其实,超导已经开始走进我们的生活。如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯,并明显改善了通信质量;超导量子干涉器件(SQUID)装备在医疗设备上使用,则大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度;世界上首个超导示范变电站也已在我国投入电网使用……

在吴涛看来,他们的研究对于国家重点发展的超导量子计算领域或将有推动作用。“它有可能应用到新型低能耗、自纠错的拓扑量子计算领域。”吴涛说。

目前,超导体还没有达到所期望的广泛应用,主要原因是仍有两个重要问题亟待解决:一是超导应用的经济性;二是常温常压下的超导材料仍未被发现。

“因此突破现有超导材料转变温度的限制,发现具有更高转变温度的新型超导,蕴含着重大科学意义。”吴涛对中国超导研究的未来充满希望,“超导研究已经扎根于中国,我们期望通过努力,获得二维非常规超导体新材料探索和机理研究方面的重大突破,继续保持我们在高温超导材料探索和相关研究的国际领先地位。”