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催生了8个诺贝尔奖的超导领域,中国科学家的203K如何颠覆极限?

本文作者:知社学术圈 2015-10-28 10:17
导语:超导领域催生了8个诺贝尔奖!下一届会有中国人的身影吗?203K的超导体硫化氢,为什么让科学界如此兴奋?

【编者按】本文由知社学术圈的胡莱之教授的撰稿分享,原标题为《Nature: 中国学者预测的203K超导体被实验证实 | 颠覆所有极限!》。如你也是学术圈内人士,或者对科学领域有专研兴趣,可进入知社学术圈公号查看。

催生了8个诺贝尔奖的超导领域,中国科学家的203K如何颠覆极限?

开篇之前,你可带着这样的疑问:

203K的超导体硫化氢,为什么让科学界如此兴奋?中国物理学家,在这里面起了什么关键作用?

2014年7月7日,吉林大学崔田教授领导的团队给 Scientific Report 投了一篇文章,题为压力诱导硫化氢的金属化和高临界温度超导性 (Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity), 计算预测在200 GPa高压下,硫化氢的超导临界温度在191K 至 204K 之间。这个文章 2014年11月10日在线发表。

2014年12月1日,德国马普所的Drozdov, Eremets和Troyan在预印本网站 arxiv.org 贴了一篇文章,题为高压下190K的传统超导体(Convetional superconductivity at 190K at high pressure),报道其在硫化氢超导性的实验研究,证实了中国物理学家的理论预测。

(编者注:马普所是马克斯-普朗克研究所( MPI)的简称,由近80科研院所组成,涵盖了对自然科学、生命科学、社会科学、艺术和人文学科基础研究。其前身是德国的威廉皇帝研究院,而后因马克斯-普朗克对德国科研作出的巨大贡献而改名。马克斯-普朗克本人在1918年获得诺贝尔奖,是量子理论的奠基人。马普所在研究领域的成绩享誉世界。)

这立刻在科学界引起旋风般的反应,有人兴奋赞美、有人怀疑观望,当然更多的人是一窝蜂扎进去跟风。物理学界重现80年代中期高温超导和前几年铁基超导的研究热度。

2015年8月17日,马普所这个文章在 Nature 在线发表,转变温度提高至203K。这个温度比之前的记录,氧化物高温超导体高压下的164K,提高了将近40K! 然而这还不是最让人意外的。

真正让人震惊的是,硫化氢属于传统超导体的范畴,而在此之前,传统超导体的转变温度最高纪录,只有40K!整整提升了163K!

在超导这个可歌可泣的领域,一共产生了8个诺贝尔奖。有人闻到下一个诺奖的气息了么?会不会有中国人的身影?

为什么物理学家会如此的兴奋? 请让我们走进超导体的前世今生。

早期研究

1908年, Onnes 成功制备液氦,并在液氦温度下研究物质热力学和电学性质。1911年,他发现水银电阻在4.2K以下降为0,并将此特性命名为超导性,从此开辟一个领域,引领潮流100年。1913年,他因此荣获诺贝尔物理学奖。这是超导领域诸多诺奖的第一个。

此后的进展及其缓慢,经过大约半个多世纪的时间,元素超导体的临界转变温度还定格在10K左右,而化合物超导体的临界转变温度也不超过30K。为什么超导临界转变温度如此之低?

1957年,Bardeen、Copper 和 Schrieffer 提出著名的 BCS 理论,即具有相反自旋和动量的电子对通过与晶格振动声子的交换作用,互相吸引,形成 Cooper 对。而这个Cooper对可以在晶格中无阻碍传输,是超导的机制。临界温度的存在,则是因为较高温度下更强的晶格振动对Cooper对造成破坏。

BCS理论的提出,受到另一个工作的启发。1938年,Kapitsa 发现液氦的超流性,即不具有粘性。这是因为整数自旋的粒子可以结合在一起,形成波色爱因斯坦凝聚,从而不受其他干扰。Kapitsa 因此工作荣获1978年代诺贝尔物理学奖。于此相关,Lee、Osheroff 和 Richardson因为发现He-3的超流性,也在1996年荣获诺贝尔物理学奖。而波色爱因斯坦凝聚的实验,要等到1995年才在科罗拉多大学实现。 Cornell、Ketterle和 Wieman 因此荣获了2001年代诺贝尔物理学奖。

电子自旋是1/2,显然无法形成波色爱因斯坦凝聚。但是组成Cooper对之后,自旋变为零,就可以产生波爱凝聚了。这是传统超导体的奥秘所在。

BCS理论解释了超导现象,Bardeen、Copper 和Schrieffer三个人1972年荣获诺贝尔物理学奖。

这一领域获奖的当然还有大名鼎鼎的 Landau,1962年因其相变理论,特别是在液氦超流性的应用,荣获诺贝尔物理学奖。以及 Ginsburg,在2003 年与 Abrikosov 和 Leggett 因在超导和超流领域的理论研究共同获奖。传统超导体获奖的工作还有超导隧穿效应, 1973年获奖。这真是一个英雄辈出的领域!

其他进展

传统超导体虽然成就了一大批理论物理学家,实验上的进展却极其缓慢,很多年来,其临界转变温度被定格在23K。

直到1980年代初,Bednorz 和 Muller 开始在氧化物中寻找超导体,最终在1986年成功合成钙钛矿结构的LBCO,临界转变温度高达35K。这立刻掀起了全球范围的热潮,包括华人物理学家朱经武和中科院物理所赵忠贤在内的团队,很快将高温超导的临界转变温度提升到100K以上。Bednorz 和 Muller 因此在一年之后,就获得了1987年的诺贝尔物理学奖。

钙钛矿真是一个神奇的结构!知社本周将报道中国学者在这方面的突破性进展,接近产业化的世界纪录指标,有兴趣的可关注,这里就不做更多陈述。 但是这个钙钛矿的氧化物高温超导体,无法被BCS理论所解释,目前也没有人知道其微观机理。

此外就是2008年日本人发现的铁基超导体,中国物理学家迅速跟进,做出了突出贡献。这个领域既获得了国家自然科学一等奖,也炒出了院士评选的罗生门,让人唏嘘不已。

传统超导体的硫化氢

最后还是回到硫化氢。在BCS 理论框架下的传统超导体,有三大鲜明的特征:

存在临界转变温度,在这个温度以上 Cooper对分解,超导性消失;

超导体内部排斥磁场,且存在临界磁场强度,在此磁场强度以上超导性消失;

同位素改变晶格振动,进而影响临界转变温度。

因此,要验证传统超导体,需要这三方面的实验证据。很长一段时间,超导体的临界转变温度提升很慢,停留在20K-30K。Cohen 和 Anderson 提出如果电子对与晶格相互作用过强,会破坏晶格。因此,他们估算临界转变温度极限为30K左右。但 Ginzburg 对此深表怀疑,认为不存在这样的理论极限。他与 Ashcroft 提出金属氢的离子振动足够强,可以承受与电子的强耦合,因而具有高的临界转变温度。由于氢金属化非常难,人们将注意力转向氢化物。而中国的物理学家,更是对此做了准确的计算。

让我们看看三方面的关键证据。首先是临界温度的存在,并受压力的影响:

催生了8个诺贝尔奖的超导领域,中国科学家的203K如何颠覆极限?

再看看同位素对临界转变温度的影响:

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最后是磁场对临界温度的影响:

催生了8个诺贝尔奖的超导领域,中国科学家的203K如何颠覆极限?

这几组数据毫无疑议的确定了硫化氢的传统超导体的属性,而在此之前,传统超导体的临界温度不超过40K, 一下子提高到203K! 而且,Nature 新闻稿称, 这是第一次理论预测的超导体在实验中被证实,而这个计算,是中国物理学家做出的。知道为什么大家如此兴奋而惶恐么?

203K,比地球自然实现的最低温度,还要高20K!这会带来什么样的应用前景? 对此我们拭目以待。

【作者介绍】知社学术圈,微信公号:zhishexueshuquan。由海归学者发起的公益学术交流平台,旨在分享学术信息,整合学术资源,加强学术交流,促进学术进步。

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