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高温超导 “铁”的飞跃

时间:2009-09-18 14:37 来源:《环球科学》2009年第9期
上世纪80年代,科学家发现了铜氧化物可以实现高温超导,去年,铁基材料成为超导家族的第二个成员。它的发现重新点燃了物理学家的高温超导之梦。
  
高温超导 “铁”的飞跃

撰文  格雷厄姆·P·柯林斯(Graham P. Collins)
翻译  胡婉铮
审校  王楠

    超导

    只有在接近绝对零度的低温下,常规超导体才可以无能量损耗地传导电流。20世纪80年代发现的铜氧化物超导体,彻底打破了长久以来超导转变温度的限制,但是如何将铜氧化物超导体应用到工业上仍然是一项极富挑战性的工作。

    铜氧化物超导体在超导材料中独一无二的地位一直保持到2008年,这一年物理学家发现铁基超导体也可以在远高于绝对零度的温度进入超导态。

    对铁基超导体的研究或许能帮助科学家最终理解铜氧化物的超导机制,甚至为寻找室温超导体提供线索。


    上世纪80年代,科学家发现了铜氧化物可以实现高温超导。但从那以后,一直也没有新的高温超导体出现。直到去年,铁基材料成为超导家族的第二个成员。它的发现重新点燃了物理学家的高温超导之梦,或许它还将有助于破解高温超导机制这个一直困扰学界的难题。

    2006年,日本东京工业大学细野秀雄(Hideo Hosono)领导的研究小组进行了一项工作。起初,研究人员并不是为了寻找超导材料,而是希望合成一种能用于平板显示器的新型透明半导体。然而,当研究人员对他们新合成的物质——一种包含镧、氧、铁、磷的新化合物——进行物理性质检测时,发现该材料在4K(约-269℃,参见环球科学小词典)以下传导电流时电阻为零;也就是说,它超导了。

    虽然4K远低于当前实验室能实现的最高超导转变温度138K,与室温(约300K)这一超导终极目标的差距就更不用说了,但对于研究者来说,发现一种新超导体就好比车手拿到了一部新式赛车。车手想知道这部赛车到底可以开多快;而物理学家想知道,在这个新超导家族中能否找到转变温度更高的超导体。由于冷却系统建设复杂、占地庞大,还须耗费巨资,超导体在工业上的应用大大受限。因此,超导转变温度每提高一点,都有助于改善现有系统的不足,使新项目在技术上和经济上都更具可行性。如果抛开传统低温超导体必备的液氦冷却系统,就不再有花费过高和设备复杂等种种麻烦,工程师就可以把能够无损耗传导大电流的电缆以及小型强磁体应用到磁共振成像、磁悬浮列车、粒子加速器及其他科学设想中。

    研究小组开始尝试掺杂新发现的化合物,即用少量其他元素取代化合物中已有的元素,希望能提高超导转变温度。他们用氟取代一部分氧原子,将超导温度提到了7K。随后,研究人员把磷元素完全替换为砷,又使超导温度提高到26K。这一重大发现在2008年2月底报道出来,立即引起全世界物理学家的关注,进而引发了一场对铁基超导体的研究热潮。同年3月底,几个中国研究小组合成了超导转变温度超过40K的超导体。一个月后,最高超导转变温度就已达到56K。

    尽管铁基超导体的研究进展相当快,但仍不足以挑战20年前由铜氧化物(copper oxide或cuprate)超导体创造的最高超导温度记录,不过物理学家仍难以抑制兴奋之情。他们认为,该体系的超导转变最高温度还大有潜力可挖;由于铜氧化物质地很脆,制作用在电缆或磁体中的长导线时需要更复杂的技术工艺,而铁基材料在工业中的应用或许容易一些。

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