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室温超导：梦想不再遥远 |
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| http://cn.newmaker.com
11/9/2006 9:50:00 AM
佳工机电网
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高温超导材料已经并将有望给人类的生活带来革命性的变化。时速高达500公里的超导磁悬浮列车、没有能耗的超导输电线……这些令人振奋的应用前景，既是人类的美好希望，更是激励科学家不断探索的巨大动力。
美国加州大学戴维斯分校超导材料科学家皮克特的最新研究成果向人们揭示，室温超导材料的问世和广泛应用也许为期不远，科学家有望找到在极其炎热的夏季温度（甚至超过100℃）下依然可以有效工作的室温超导材料。
不断挑战高温上限
超导材料是在一定温度下没有电阻的导体。在物理学和材料科学的发展进程中，无数顶尖科学家倾力于超导材料研究，超导材料临界温度的不断提高凝聚了无数科学家的心血，高温超导材料研究仍是科学家一直关注的前沿领域。
1911年，荷兰物理学家海克·卡茂林-昂尼斯（HeikeKamerlingh-0nnes）首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度（－268.98℃）时，其电阻突然消失。后来他又发现许多金属（例如铝、锡）和合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零（这一温度叫超导材料的临界温度），由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。昂尼斯也因此获得了1913年诺贝尔奖。
昂尼斯和其他许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度（－273℃）。这些超导材料没有太大的实用可能性和经济价值。
然而，从那时起，科学家一直不断尝试提高超导材料的临界温度。直到1973年，英美科学家发现了超导合金———铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，才使超导材料研究走上了快速路，这个纪录保持了13年。
1986年，在瑞士国际商用公司实验室工作的德国科学家贝特诺茨和美国科学家缪勒，发现氧化物（镧－钡－铜－氧）陶瓷材料在43K(－230℃)的较高温度下出现了超导现象，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起了全球科学界的轰动。他们也因此获得1987年的诺贝尔物理学奖。
此后，美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K(－175℃)和78.5K(－194.5℃)有超导现象的超导材料。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧化材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。
从1986—1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史上，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹。
高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。然而，寻找室温下的超导材料才是科学家最大的梦想，因为室温超导材料极可能引发一场全球性的科技革命和工业革命。
迄今为止，科学界公认的最高超导临界温度是138K，但科学家依然没有找到圆满的理论解释，很多物理学家因此对找到一种廉价、无需冷却的超导材料的前景表示悲观。对此，美国斯坦福大学的威廉·利特勒评价道：“很多研究人员在室温超导体研究方面存在心理障碍，克服这种障碍是我们目前所面临的挑战。”
寻找新型超导材料
皮克特没有被这种障碍所吓倒。他在研究了二硼化镁在温度为40K时候没有任何电阻后，设计了一类材料，这些材料有望在大大高于室温的条件下也具有超导性。这意味着，未来的高温超导材料有望不需要借助于液氮的冷却，在常温甚至在炎热的夏季温度下就可以有效地工作。
虽然还没人弄清楚氧化铜具有超导性的原因，但物理学家科学地解释了“常规”低温超导材料的工作原理。其奥秘就在于在接近绝对零度的低温条件下，超导材料内部电子的活动情况。当电子处于自由空间时它们之间相互排斥，而在超导材料内部的电子则成对地束缚在一起。这些电子对的活动具有趋于一致性的特点，它们在超导材料内部集体游动时（swimcollectively）没有遇到障碍。因此，它们不会损失任何能量，即意味着这种材料的电阻为零。
受到日本青山学院大学（AoyamaGakuinUniversity）JunAkimitsu研究小组2001年的一项研究的启发，2005年，皮克特从基础性研究工作做起，以重新验证上述理论。
JunAkimitsu研究小组选用了一种由钛、镁和硼组成的混合物作为研究材料。他们惊奇地发现，这种材料在40K时具有超导性。与其他高温超导材料相比，这种临界温度本身并不令人吃惊。但对常规超导材料来说，该材料的临界温度之高令人难以想象，可以说开辟了寻找高温超导材料的新途径。进一步的深入研究表明，混合材料中的氧化镁发挥了关键作用。
在上述研究成果发表的两个月之内，很多科学家都利用氧化镁进行超导研究，相继发表了50篇研究论文。
很快，科学家就发现，氧化镁中电子配对的方式与金属超导材料中电子配对的方式完全一样。这意味着，并不像此前科学家认为的那样，当温度接近绝对零度时电子配对（electron-pairingeffect）将会消失。1957年，库珀等三位科学家提出了超导微观理论（即BCS理论），揭示了低温超导现象。BCS理论认为，电子会因声子（phonon，即量子化的晶格振动）而产生相互作用，当其克服电子之间的排斥力时，便会形成电子对，称为“库伯对”。而这种能量交换使一些普通金属材料产生了超导性。
然而，在温度升高时，即使最好的金属低温超导材料也会失去其超导性能。其原因于：随着温度的不断升高，超导材料内部的原子振动也不断加剧，电子对不断地被拆散，该材料原有的电阻得以恢复。
皮克特意识到，如果它能够弄清楚氧化镁具有其独特超导性能的原因，就有可能寻找到临界温度更高的其他金属合金。为了做到这一点，他仔细研究了库珀等三位科学家所做的研究工作，探索超导材料临界温度的影响因素，然后将这些因素与氧化镁的特性进行比较研究。
根据库珀等人的理论，超导材料的临界温度取决于三个因素：可以利用的电子数量、声子震动的频率，相互作用的强度（即声子和电子之间的耦合力）。氧化镁具有较高的温度传递性能，其主要原因是它具有较强的耦合力，而这则是由氧化镁本身的独特化学结构所决定。
随着对氧化镁研究的不断深入，皮克特发现：发生相互作用的声子只占声子总数的3%%，氧化镁本身没有充分利用那些可以利用的声子。如果我们能够找到充分利用其他的声子办法，将可以使氧化镁的临界温度持续不断地提高，最终达到室温的水平。
此前，其他科学家是主要在晶体格中增加少量其它元素，以超导材料内中子对数量或者耦合强度，但一直无法取得成功。皮克特的研究揭示了产生这种困境的原因：耦合强度或声子震动频率的不断增加，最多将温度提高20%%，这将最终导致晶体结构本身出现不稳定，并呈现出很多不同的特性。
皮克特的新方法是：尝试不同元素的混合物来增加声子的数量。此外，他的研究为人们提供了更多的线索，以便找到性能更好的元素。皮克特的研究成果和计算结果显示，科学家有望发现一种新型超导材料，其临界温度可以达到430K（157℃)。他说：“我们期待存在或者能够制造出这样的材料，这种期待是合理的，这将大大提高氧化镁的超导性能。”
前景光明，道路曲折
美国能源部Ames实验室的科学家保罗·坎菲尔德是最早对氧化镁进行研究的科学家之一。他认为皮克特的研究工作是一个巨大的成就，“这表明，我们有可能在混合物中找到临界温度更高的超导材料，而人们在2001年之前并不这样认为。”
皮克特已经研究了与氧化镁的原子结构极其相似的一些其它材料。经过多次尝试，最近他和德国物理学家赖因哈德·内斯珀合作实验室合成了一种硼锂碳化物(lithiumboroncarbide)。这种材料本身并不具有超导体性能，但是研究显示，如果将其中的锂原子去除四分之一，就能将这种合金转化为超导体，其临界温度要大大高于氧化镁。因此，他们的下一步工作就是制作这种材料，但这项工作也极其艰难，因为调整物质的化学键和声子是一件相当困难的工作。
我们必须清醒地认识到，即使在皮克特研究成果的基础上，研制出室温超导材料也并非易事。即使皮克特和其他科学家没有成功地制造出室温超导材料，我们对此仍然抱有希望。因为温度并不是唯一重要的因素。生产现有的任何一种高温超导材料都极其困难、极其昂贵。
从技术角度来看，具有和氧化镁类似结构的任何新超导材料都有可能带来巨大的影响。坎菲尔德说：“如果一种传统超导材料的临界温度能够达到110K，将比临界温度为室温的氧化铜超导材料更加有用处。”
我们有理由期待，科学家对氧化镁的研究，有望引发一场超导材料研究的革命。
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