来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/6/18 7:36:38
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科学家回信|罗会仟:寻找常温超导体的思路有很多

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者陈凤茂的提问,请中国科学院物理研究所研究员罗会仟发出第五十九期手书回信。

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读者陈凤茂:目前超导体,有办法实现常温超导吗?我们常看到的上海磁悬浮列车的磁悬浮不需要超导材料吗?

罗会仟:虽然目前人们已发现成千上万种超导材料,但是大部分超导体的临界温度(Tc)都低于20K(注:K为热力学温标,0K=-273.15℃),仅有铜氧化物和铁砷/硒化物可以在常压下实现40K以上的超导电性,一些氢化物在极端高压下可以实现200K以上的超导。但是很遗憾,无论在常压还是在高压条件下,目前为止并没有一个材料可以实现常温超导。需要特别注意的是,常温超导一般又称室温超导,特指是在300K(约27℃)下可以出现绝对零电阻和完全抗磁性的材料。

从理论上来说,超导体的临界温度并没有明确的上限,也没有明确的思路指导我们去探索常压室温超导体,仅有极端高压下的单质金属氢是理论预言的常温超导体。从实验上来说,历史上曾有多次有人宣称合成了常温超导体,但都未能得到证实,要么拒绝公开材料的合成方法,要么一些公开发表的结果无法被其他研究组独立重复,一些相关研究论文在经受广泛质疑之后亦被撤稿。

目前,常压下最高临界温度的超导材料是Hg-Ba-Ca-Cu-O体系,约为133K~135K。高压下最高临界温度的超导体是LaH10体系,在170~190万个大气压下,约为250K~260K。

基于目前发现的超导体,探寻室温超导的经验性思路有:

1.利用理论计算搜寻更多的二元和三元氢化物,在高压下合成并在极端高压下实现高临界温度超导;

2.基于铜氧化物和铁基高温超导中的机理研究经验,探索磁性相互作用为主、其他相互作用为辅的多相互作用协同下的高温超导;

3.利用化学或物理手段对材料微观结构、载流子浓度、局域相互作用进行调控,进一步提升现有超导体的临界温度;

4.构筑不同材料的异质结、界面或复合结构,设计合成全新的材料体系,寻找界面处的高温超导电性;

5. 基于理论计算构建材料结构和物性数据库,结合标准化的超导材料实验数据库和材料结构基元特征,利用人工智能帮助筛选甚至推测可能的常温超导体,最后用先进的材料合成方法制备。

以上方案仅仅是举例,寻找常温超导体的思路还有很多,只是需要足够的耐心和细心,并保持谨慎乐观的态度。

目前我们常看到的上海磁悬浮列车、北京磁悬浮S1线和长沙磁浮快线,均不是采用的超导技术,而是常规的电磁悬浮技术,即经过精细设计利用电磁铁的相吸或相斥原理实现悬浮。利用超导技术实现的磁悬浮列车目前只有日本的山梨磁悬浮实验线,时速可达600公里以上。预计到2027年,世界第一条超导磁悬浮列车将从东京到名古屋运行,到2045年延伸到大阪。

我国的高温超导磁悬浮技术也在不断发展,2021年1月,由西南交通大学研发的高温超导高速磁悬浮工程样车在成都下线;2023年3月,由中国中车自主研制的国内首套高温超导电动悬浮系统在长春中车长客公司完成首次悬浮运行。未来会越来越多基于超导技术的磁悬浮列车出现。

 
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