超導(dǎo)是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，目前全世界已有10位科學(xué)家憑借超導(dǎo)研究成果共獲得5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在超高壓條件下，首次在一種新的材料――二硫化鉬中觀測(cè)到了超導(dǎo)現(xiàn)象。神奇的超導(dǎo)體是什么，對(duì)人類生活有何影響?記者日前深入中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，采訪了固體物理研究所副研究員遲振華。

神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象

時(shí)速600公里的磁懸浮列車(chē)如果開(kāi)通，那將意味著什么?從北京到上海只需要兩個(gè)半小時(shí)! 1月25日，600公里高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)方案在青島通過(guò)專家評(píng)審。高速磁浮課題負(fù)責(zé)人、中車(chē)四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹，按照計(jì)劃，今年將研制一節(jié)樣機(jī)，2020年研制出時(shí)速600公里的高速磁浮樣車(chē)，并完成5公里試驗(yàn)線驗(yàn)證。超高速的磁懸浮列車(chē)，應(yīng)用的就是超導(dǎo)技術(shù)。

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林?昂內(nèi)斯意外發(fā)現(xiàn)：將汞(水銀)冷卻到4.17K(-268.98℃)時(shí)，它的電阻突然降為零。由于這一偉大發(fā)現(xiàn)，他獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。遲振華介紹，超導(dǎo)是指電流可以毫無(wú)阻礙地通過(guò)導(dǎo)體，這種超級(jí)導(dǎo)體簡(jiǎn)稱超導(dǎo)體。當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到一定溫度時(shí)，電阻突然消失，即零電阻;同時(shí)外磁場(chǎng)的磁力線無(wú)法穿透到其內(nèi)部，即完全抗磁性，物理學(xué)上稱作邁斯納效應(yīng)。普通導(dǎo)體，即使冷卻到絕對(duì)零度附近也會(huì)有殘余電阻，在長(zhǎng)距離輸電過(guò)程中會(huì)因發(fā)熱而造成能量損耗。

有專家測(cè)算，采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%，我國(guó)每年輸電損耗達(dá)1000億度。如果采用超導(dǎo)電纜在超導(dǎo)狀態(tài)輸電，每年節(jié)省的電量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電量。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩”“鐵布衫”，將其置于普通磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中時(shí)，由于邁斯納效應(yīng)，對(duì)外部磁力線的排斥作用會(huì)達(dá)到“懸浮”的效果，此即超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的工作原理。

高壓之下出奇跡

二硫化鉬在90萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右的壓力條件下變成超導(dǎo)體，在130～220萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(接近地球外核壓力)的壓力范圍內(nèi)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界溫度可高達(dá)12K(-261.15℃)……

近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院遲振華等研究人員，在自主搭建的高壓綜合測(cè)試平臺(tái)上，利用金剛石對(duì)頂砧產(chǎn)生的超高壓條件，通過(guò)低溫電阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)了這一秘密，并通過(guò)密度泛函理論計(jì)算解釋了超導(dǎo)出現(xiàn)的微觀機(jī)制。相關(guān)研究成果刊登在國(guó)際物理類頂尖期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。審稿人稱贊，“該工作首次在一個(gè)新的材料中觀測(cè)到了超導(dǎo)電性，具有新的物理意義”。

遲振華介紹，在發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)體方面，高壓扮演著重要角色。元素周期表中最簡(jiǎn)單的元素氫，在超高壓下的單原子金屬態(tài)被預(yù)言是室溫超導(dǎo)體。元素周期表中大多數(shù)元素在高壓下都是超導(dǎo)體，包括人們每天吸入的氧。 2015年，德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)具有臭雞蛋氣味的硫化氫在高壓下也是超導(dǎo)體，臨界溫度在-70℃左右，接近地球表面極寒地區(qū)的溫度，是目前報(bào)道的最高超導(dǎo)臨界溫度。實(shí)驗(yàn)室生成高壓是利用一種被稱作金剛石對(duì)頂砧的便攜式裝置，其核心部分是一對(duì)經(jīng)過(guò)切割打磨的寶石級(jí)金剛石。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)兩顆金剛石互相擠壓產(chǎn)生壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)通過(guò)傳壓介質(zhì)傳遞到樣品，目前實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的壓強(qiáng)紀(jì)錄超過(guò)500萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

目前，通過(guò)層間插入金屬原子和施加靜電場(chǎng)偏壓兩種物理化學(xué)調(diào)控手段，分別可在二硫化鉬中誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性，但迄今還沒(méi)有壓力誘導(dǎo)超導(dǎo)電性出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。高壓之下到底能否讓二硫化鉬變成超導(dǎo)體?為了實(shí)現(xiàn)二硫化鉬變成超導(dǎo)體的奇跡，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，在超高壓下首次觀測(cè)到二硫化鉬的超導(dǎo)行為，相較于上述兩種手段，高壓手段具有干凈高效等明顯優(yōu)勢(shì)。

新發(fā)現(xiàn)意味著啥

二硫化鉬是一種廣泛應(yīng)用的固體潤(rùn)滑劑和催化劑，同時(shí)又是一種半導(dǎo)體。 “如果通過(guò)某種手段能將二硫化鉬轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，將會(huì)極大拓展它的應(yīng)用前景。 ”遲振華表示，作為石墨烯的競(jìng)爭(zhēng)者，單層二硫化鉬是一種具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，有光致發(fā)光等優(yōu)良的光學(xué)性能，在納米光電器件方面有光明的應(yīng)用前景。

過(guò)去，科學(xué)家通過(guò)層間插入法和電場(chǎng)調(diào)控，雖然可以將二硫化鉬轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，但有很多不足之處。遲振華透露，層間插入法是將堿金屬原子或過(guò)渡金屬原子插入到二硫化鉬層與層之間的間隙，電子從金屬原子轉(zhuǎn)移到二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導(dǎo)體;電場(chǎng)調(diào)控是在二硫化鉬表面滴一滴導(dǎo)電離子液體，通過(guò)施加偏壓電場(chǎng)調(diào)控電子填充二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導(dǎo)體。 “然而，前一種方法容易造成化學(xué)成分不均勻;后一種方法工藝比較繁瑣，而且僅表面的薄層區(qū)域變成超導(dǎo)體。 ”遲振華說(shuō)，他們則另辟蹊徑，在超高壓下首次觀測(cè)到二硫化鉬具有超導(dǎo)性。

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)源于人們對(duì)低溫世界的好奇，但超導(dǎo)如同量子糾纏一般，既是物理世界中最奇妙的現(xiàn)象，又是當(dāng)今物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。超導(dǎo)的神奇特性，決定了其在電力輸運(yùn)、醫(yī)療器械磁體、微波器件以及磁懸浮列車(chē)等應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 100多年來(lái)，超導(dǎo)研究在科學(xué)上的重要性及其巨大的應(yīng)用前景，吸引了無(wú)數(shù)科學(xué)家的目光，目前已有10人因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

在鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域，我國(guó)目前走在了世界的最前沿。2014年1月，中科大陳仙輝教授與中科院物理所合作完成的“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”項(xiàng)目，問(wèn)鼎2013年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。該研究首次突破40K(約-233℃)麥克米蘭極限溫度，創(chuàng)造并保持55K(-218.15℃)鐵基超導(dǎo)體臨界溫度最高紀(jì)錄。

“超導(dǎo)雖好，但大多數(shù)情況下需要在極低溫或超高壓等極端條件下才能實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用起來(lái)受到極大的限制。 ”遲振華表示，現(xiàn)在還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)常溫超導(dǎo)體，一旦發(fā)現(xiàn)那將是一個(gè)顛覆性的突破，全世界的科學(xué)家都在朝這個(gè) 夢(mèng) 想 努力。“下一步，我們將利用掌握的超高壓技術(shù)，在探索具有更高超導(dǎo)臨界溫度的超導(dǎo)體方面繼續(xù)努力，希望能取得更多更好的研究成果。 ”