室温超导刚刚出现,即使被证实,商业化道路仍很漫长。
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界面新闻记者|马悦然 蒋习
界面新闻编辑 | 张慧
美国罗切斯特大学物理学家兰加·迪亚斯(Ranga Dias)及其团队宣称,创造出了能够在室温条件下实现超导的超导体。
该消息一经发布,全球物理界沸腾。
该超导体由氢、氮和镥(Lu-N-H)三种金属元素材料混合。在放置在“金刚石压砧”装置中并加压后,在约21℃温度下及1万个标准大气压的压力下进入超导状态,电流不再具有阻力。
超导体又称超导材料,指在特定温度下电阻为零的导体,拥有零电阻、完全抗磁性等特征,广泛应用于储能、磁悬浮列车、电力输送、核磁共振等领域。此前的超导材料,均需要在较低温度下才能进入超导状态。
如果室温超导研究成果属实,人类将有望实现基本不发热无阻碍的电力设备,并让超导材料在生产生活中得到大规模应用。
室温超导是“实验室神话”,还是真正能走进人类生活的新兴材料?这种超导体是否有大规模商用的可能?国内超导研究在全球处于怎样的地位?
3月9日,界面新闻联系到中国科学院物理研究所研究员罗会仟,就室温超导相关话题进行了讨论。
罗会仟本科毕业于北京师范大学物理学系,后在中国科学院物理研究所专注凝聚态物理学,硕博连读。自2009年起,罗会仟先后在中国科学院物理研究所担任助理研究员、博士生导师以及研究员等。他的主要研究方向是关联电子材料的中子散射及输运特性。
中国科学院物理研究所官网显示,罗会仟在Science、Nature子刊、Physical Review Letters等期刊共计发表SCI论文160余篇,论文总引用4600余次,并多次撰写铁基超导的综述文章。
以下为界面新闻采访实录,刊发时有所删节。
迪亚斯团队此次宣称的室温超导技术,需要21摄氏度和1万个大气压,这是具有开创性的指标吗?
罗会仟:就目前设备而言,用几万个大气压合成和测量,问题都不是很大,困难在于如何量产这种超导材料。希望未来能降到只需要百个大气压,或者最好是常压,即一个大气压。届时大规模量产可能会出现。目前为止,还看不出来室温超导体是否能够大规模使用。
此次室温超导体由氢、氮和镥(Lu-N-H)三种金属元素材料混合而成。镥是否是这项技术研发过程中的关键元素?
罗会仟:多种稀土元素都可以制成超导材料,并不限于镥这一种元素。最早前有镧氢十(LaH10),还有铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd),均是稀土元素。
室温超导如果能够落地应用,将给我们的生活带来怎样的改变?
罗会仟:基于目前的高压合成测量技术,室温超导样品产量还非常低,且常压下不一定稳定,室温超导尚不可能有大规模应用。
如果未来不需要高压即可合成超导材料,即使温度没有真正到室温,在接近室温情况下,用途也将非常广。因为这意味着,人类社会所有能够用到电和磁的地方,都可以用上超导材料。
但大家不要盲目乐观。超导材料的应用,不是单纯一个临界温度指标实现的问题,材料其他性质也需要达标,实际应用较为复杂。
目前国内超导领域的研究重点和方向是什么?进度如何?
罗会仟:中国在超导基础领域的研究,位于全球前列。其中重要方向之一是对新超导材料的探索,最早可追溯至1960-1970年代。
中国科学家在超导领域一直较为活跃。1980年代,在瑞士科学家发现铜氧化物高温超导现象后,在中科院物理所赵忠贤老师为代表的团队带领下,很快发现了90 K(-183摄氏度)以上铜氧化物高温超导现象。钇钡铜氧化合物的转变温度达到了92 K,打破了液氮77 K(-196摄氏度)的温度堡垒。
此后,中国成立了超导国家重点实验室。也因为高温超导的出现,相关科学家的研究不止局限于高温超导材料,大部分人也聚焦在了超导机理和超导应用领域。
中国在超导的一些研究方向上,目前已经做到了世界领先水平。
2008年,中国在高温超导领域有了重大突破。赵忠贤院士带领团队将铁基超导体的临界温度提高到了55 K,推动中国高温超导研究走在世界最前沿。
铁基超导出现后,中国科学家实现了快速赶超。自此,很多新的铁基超导材料、包括超导机理方面的物性研究,均由中国科学家率先开展。直至今日,中国在超导基础研究领域,即材料和机理方面,都处在全球前列。
从商业化角度看,国内超导研究是否有相关突破?
罗会仟:中国科学家做出了全球第一根百米级铁基超导的线材,走向了实用化道路。但材料从发现到应用,还有很长的路要走。
近几年,民营资本也投向高温超导带材应用领域,瞄准强磁场、可控核聚变、磁悬浮列车等。
商业化路途中,还有很多根本问题需要克服,大规模应用还存在一定瓶颈。室温超导刚刚出现,即使被证实,商业化道路还是很漫长。
若未来室温超导真的实现应用,会颠覆现有输电模式及改变核聚变技术发展进程吗?
罗会仟:技术的颠覆性不会来的这么快,全面替代为时过早。室温超导技术或材料想要实现应用,成本是非常重要的考量因素。
国内高压输电技术非常成熟,暂时不会被替代。相比于替代长距离特高压、超高压输电网,在城市大厦中率先使用超导电缆更为现实。
此外,超导体还可能应用于超导接头。使用了超导接头,很多大功率运行的设备会更加安全和稳定。
室温超导在核聚变领域的应用,难度会大很多。目前核聚变使用最多的超导材料是铌钛线,下一步突破是铌三锡材料。但铌三锡磁体经过升温、降温的过程,在强磁场下性能退化非常快,不一定好用。
尽管超导核聚变技术已经发展了多年,但要真正实现发现还需努力。即使实现了核聚变,使用的磁体依旧以传统超导磁体为主,并不是今天的室温超导磁体。这些室温超导磁体的应用,可能是几十年以后的事情了。
新的超导体与过往发现的超导体颜色有所差别,为什么?
罗会仟:大部分情况下,能够做到温度比较高的超导体,几乎都是黑色的。美国团队所实现的室温超导体材料呈现粉色、红色等状态。
这些材料看起来类似分子式,但从反光性质上看,尚不清楚是否是在压力下产生了其他化合物。在高压下,材料能够出现的结构很多,最终均需要实验室来检验验证。