突破極限，中國高溫超導(dǎo)研究領(lǐng)跑世界

把“命門”掌握在自己手中

剛剛過去的國慶黃金周，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)除了收看國慶70周年慶典外，每天依然到實(shí)驗(yàn)室里工作。

“下一個(gè)可以用來劃分時(shí)代的材料，可能就是室溫超導(dǎo)體。”在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳濤眼里，他們所從事的超導(dǎo)研究充滿魅力。“如果發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)體，我們出門可以坐上懸浮的超導(dǎo)車，甚至手機(jī)、手提電腦充一次電，就能用上好幾個(gè)月。”正是帶著這樣的夢想，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域里已經(jīng)堅(jiān)守了20余年。

突破超導(dǎo)研究的禁區(qū)

超導(dǎo)，是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度，或超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象。在超導(dǎo)研究的歷史上，已經(jīng)有10人獲得了5次諾貝爾獎(jiǎng)，其科學(xué)重要性不言而喻。

1911年，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水銀在極低溫條件下的超導(dǎo)性，開辟了科學(xué)研究的新領(lǐng)域。1986年，德國科學(xué)家與瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)變溫度為35K的銅氧化物超導(dǎo)體。

令科學(xué)家困擾的是，超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K(約零下233攝氏度)，這個(gè)溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。

40K的極限溫度能否被突破?在兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以銅為關(guān)鍵超導(dǎo)元素的銅氧化物超導(dǎo)體后不久，包括中國科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)將銅氧化物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，使其成為高溫超導(dǎo)體。

“銅氧化物高溫超導(dǎo)體家族有兩個(gè)主要缺陷，作為金屬陶瓷材料加工工藝嚴(yán)苛，綜合成本高，影響廣泛應(yīng)用。此外，銅基超導(dǎo)并沒有解決高溫超導(dǎo)電性機(jī)理豐富的物理內(nèi)涵。”吳濤告訴科技日報(bào)記者，要揭開高溫超導(dǎo)的原理，廣泛應(yīng)用，尋找到臨界溫度更高的超導(dǎo)體勢在必行。

鐵基化合物由于其磁性因素，曾一度幾乎被國際物理學(xué)界斷言為探索高溫超導(dǎo)體的禁區(qū)。

2008年3月，中科大陳仙輝研究組和中科院物理所王楠林研究組同時(shí)在鐵基中觀測到了43K和41K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了麥克米蘭極限，證明了鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體。緊接著，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)不僅率先使轉(zhuǎn)變溫度突破了50K，并發(fā)現(xiàn)了一系列50K以上的超導(dǎo)體，也創(chuàng)造了55K的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄，被國際物理學(xué)界公認(rèn)為第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族。

尋找更高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料

突破了麥克米蘭極限之后，全世界科學(xué)家對超導(dǎo)材料的探索又一次陷入了迷茫，在高影響因子的期刊上發(fā)表高溫超導(dǎo)論文變得愈發(fā)困難。

中科大的超導(dǎo)團(tuán)隊(duì)卻一直堅(jiān)守著這塊陣地，無數(shù)次地制備、觀察、放棄、重新開始……為了撥開超導(dǎo)研究的迷霧，他們提出了“新型二維層狀非常規(guī)超導(dǎo)材料”這個(gè)新的研究方向。

吳濤告訴記者，由于銅氧和鐵基超導(dǎo)體均為層狀結(jié)構(gòu)，承載超導(dǎo)電性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元分別是CuO2面和FeAs/Se層，被稱作“超導(dǎo)基元”，目前確認(rèn)的非常規(guī)超導(dǎo)體大都表現(xiàn)出此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

“這些材料與通常的超導(dǎo)體在超導(dǎo)機(jī)理上有所不同，傳統(tǒng)超導(dǎo)體的機(jī)理主要是基于電—聲子相互作用的BCS理論，二維層狀非常規(guī)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)機(jī)理一般被認(rèn)為不能用BCS理論解釋。”吳濤認(rèn)為，對銅氧化合物超導(dǎo)體及鐵基超導(dǎo)體的微觀機(jī)理的了解，會(huì)極大推動(dòng)凝聚態(tài)物理學(xué)的新發(fā)展;同時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)更適于應(yīng)用或具有更高臨界溫度的超導(dǎo)體，便可能像集成電路那樣成為帶動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新增長點(diǎn)。

目前，比較公認(rèn)的超導(dǎo)研究核心重點(diǎn)有兩個(gè)：第一個(gè)是新型(高轉(zhuǎn)變溫度)非常規(guī)超導(dǎo)材料，第二個(gè)是高溫超導(dǎo)(以及非常規(guī)超導(dǎo))的機(jī)理問題。

“我們依據(jù)二維結(jié)構(gòu)單元與超導(dǎo)電性之間的普適關(guān)聯(lián)性，以構(gòu)筑二維層狀超導(dǎo)單元為基礎(chǔ)，通過塊層、異質(zhì)結(jié)設(shè)計(jì)等研究思路來探索非常規(guī)超導(dǎo)電性。”吳濤告訴記者，作為國家重大專項(xiàng)，在實(shí)施兩年多的時(shí)間里，已經(jīng)利用電化學(xué)插層法成功合成出兩種新的鐵硒基高溫超導(dǎo)材料，并且發(fā)現(xiàn)這些新的超導(dǎo)材料具有與銅基高溫超導(dǎo)體相似的超導(dǎo)預(yù)配對現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)對鐵硒基超導(dǎo)體中高溫超導(dǎo)的形成具有重要的影響。“這些新的發(fā)現(xiàn)將為建立普適的高溫超導(dǎo)機(jī)理提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。”吳濤表示，在新的研究方向上，可能有助于發(fā)現(xiàn)新的具有超高臨界場和臨界電流密度的實(shí)用型超導(dǎo)體。

探索更適于應(yīng)用的超導(dǎo)體

其實(shí)，超導(dǎo)已經(jīng)開始走進(jìn)我們的生活。如高溫超導(dǎo)濾波器已被應(yīng)用于手機(jī)和衛(wèi)星通訊，并明顯改善了通信質(zhì)量;超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)裝備在醫(yī)療設(shè)備上使用，則大大加強(qiáng)了對人體心腦探測檢查的精確度和靈敏度;世界上首個(gè)超導(dǎo)示范變電站也已在我國投入電網(wǎng)使用……

在吳濤看來，他們的研究對于國家重點(diǎn)發(fā)展的超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域或?qū)⒂型苿?dòng)作用。“它有可能應(yīng)用到新型低能耗、自糾錯(cuò)的拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域。”吳濤說。

目前，超導(dǎo)體還沒有達(dá)到所期望的廣泛應(yīng)用，主要原因是仍有兩個(gè)重要問題亟待解決：一是超導(dǎo)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性;二是常溫常壓下的超導(dǎo)材料仍未被發(fā)現(xiàn)。

“因此突破現(xiàn)有超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度的限制，發(fā)現(xiàn)具有更高轉(zhuǎn)變溫度的新型超導(dǎo)，蘊(yùn)含著重大科學(xué)意義。”吳濤對中國超導(dǎo)研究的未來充滿希望，“超導(dǎo)研究已經(jīng)扎根于中國，我們期望通過努力，獲得二維非常規(guī)超導(dǎo)體新材料探索和機(jī)理研究方面的重大突破，繼續(xù)保持我們在高溫超導(dǎo)材料探索和相關(guān)研究的國際領(lǐng)先地位。”