和中学生朋友谈超导(2)

在上一篇文章中(htsc-ruc:和中学生朋友谈超导(1)),我简要介绍了超导现象以及超导研究的意义。本篇文章主要介绍超导材料研究的现状和面临的挑战。如果要用一句话总结本文的内容的话,那就是超导材料研究目前正面临前所未有的巨大机遇和挑战。

作为一种宏观量子现象,超导的发生需要满足苛刻的条件。这尤其表现在其需要的极低温条件上。Kamerlingh Onnes最初在金属汞中发现的超导的临界温度只有4.2K,这几乎恰好是常压下氦的液化温度。Kamerlingh Onnes正是首先实现了氦的液化之后才得以用液氦冷却发现超导现象的。而这一极低温条件的获得代价极高。因此提高超导临界温度,使这种宏观量子现象在更加容易实现的条件下发生一直是人们的梦想,也是超导研究的核心目标之一。在超导现象发现之后的60多年时间里,人们进行了广泛的超导材料探索,目标从最初的单元素金属,到二元、三元、四元化合物,几乎翻遍了元素周期表,同时也总结出了大量经验规律,比如发表于1970年的著名的Matthias规则,这里摘抄其中的几条

1.不要试图在非金属,半导体,半金属材料中寻找超导,在具有高电子态密度的高对称性的金属中发现超导的希望最大,最好是立方对称性。

2.不要试图在具有铁磁性,反铁磁性的材料中寻找超导

3.不要试图在氧化物中寻找超导

4.不要轻信理论家的所谓预言,他们做的不过是描述,而不是预言

当然,这些规则中的很多条被证明并不正确(参见文章courses.physics.ucsd.edu中的部分分析),这些规则倒不如说反映了当时人们在探索新的超导材料时的沮丧感和无力感。例如到1973年,超导临界温度的记录仅仅被提升到23.2K(铌三锗),这仅仅稍稍高于常压下氢的液化温度。而液氢虽然相对于液氦比较容易获得,但是其操作却有很大的安全风险。下一个临界温度的目标应该是氮气的液化温度,也就是77K。氮气容易获得,且是一种安全可靠的制冷剂。但是考虑到在长达六十年的时间里超导临界温度只是从4.2K提升到23.2K,想要达到77K谈何容易。人们甚至一度悲观地认为超导临界温度不会超过40K,也就是所谓的麦克米兰极限。

事情的转机出现在1986年,IBM苏黎世研究所的Bednorz和Muller在一类铜氧化物中发现了超越麦克米兰极限的可能。而这类铜氧化物的母体材料不仅是氧化物,而且是绝缘体,且有着非常强的反铁磁性。由于其准二维的结构特性,这类材料的对称性也很低,电子的态密度也出奇的低。这打破了Matthias规则的几乎所有条款,除了最后一条,因为麦克米兰极限正是人们从理论上有限的认识作出的推断。这个出乎所有人意料的发现于1987年获得诺贝尔奖,成为诺贝尔奖历史上从做出发现到获奖最短的时间记录。

Bednorz和Muller最初发现的LaBaCuO体系的超导临界温度只有35K,仍低于麦克米兰极限,但是在随后不到两年的时间里,人们通过元素替代将这类铜氧化物的超导临界温度提升到135K,这也是目前常压下超导临界温度的最高记录。其中,中科院物理所赵忠贤先生和Huston大学朱经武先生各自领导的研究组首先突破了液氮温度极限。由于这一原因,这类铜氧化物超导体也被称为高温超导体。铜氧化物高温超导体发现时,Matthias先生已经过世六年,但是有意思的是,在铜氧化物中首先实现液氮温度极限突破的朱经武先生正是Matthias先生的学生。想必,如果Matthias先生在世,听到高温超导体的发现,除了震惊,一定会为自己的学生骄傲吧,甚至他本人也有可能为高温超导研究再做出重大贡献呢。毕竟Matthias先生去世时仅63岁。

铜氧化物高温超导体的发现引发了超导研究长时间的热潮。一方面,这是因为人们发现铜氧化物高温超导体的超导机理明显不同于传统的超导体,需要新的理论。另一方面,铜氧化物高温超导体的发现打破了人们思想的禁锢,鼓舞材料学家在更加广阔的范围探索新的超导体。在随后的三十多年时间里,新的超导体系层出不穷,且常常成为当年科学的热点话题。其中几个有代表性的例子包括:C60超导体系(1991),SrRuO超导体系(1994),MgB超导体系(2001),NaCoO超导体系(2003),铁基超导体系(2008),拓扑超导体系(2010左右),石墨烯超导体系(2018),镍基超导体系(2019)等等,期间还穿插着重费米子超导,有机超导,以及极端高压条件下的超导等方面的大量重要进展。从上面这个简单列表可以看出,人们对于第一过渡金属元素的化合物的超导特别有兴趣,例如铜氧化物,镍氧化物,钴氧化物,铁氧化物的超导。这一方面是受到铜氧化物超导的启发,另一方面是因为这类材料的超导都具有非常规的超导机理,相互对比研究可以为我们理解高温超导机理带来新的线索。需要特别说明的是,自铜氧化物高温超导研究开始,中国在超导研究方面取得了巨大的进步,具有很好的国际声誉。例如,在铁基超导体发现之后,中国科学家率先突破了40K的极限,并保持了铁基超导体临界温度的最高纪录,另外还发现了超越77K极限的有力证据。由于这些贡献,M2S国际超导大会曾两次由中国主办(M2S-1997,M2S-2018)。

在最近三十年里,除了提高超导临界温度,超导研究的目标逐步多样化。三十多年来,人们发现了大量性质不同于传统超导体的非常规超导体。这些超导体的临界温度虽然较低,但是对这些超导体的研究不仅有助于深化关于超导机理的认识,也有助于实现一些新奇的应用。比如,利用作为目前研究热点之一的拓扑超导,我们有可能实现具有拓扑稳定性的量子计算。实际上,SrRuO体系曾长期作为拓扑超导的一个例子受到大量关注,而最近铁基超导体系也被报道可以表现出拓扑超导的某些特征。另外一个例子是大家比较关注的石墨烯超导体系。这个体系的超导临界温度虽然非常低,但是由于该体系在低能下拥有复杂多变的电子结构,可以用来研究包括超导在内的不同物态间复杂的相互关系。

尽管已经取得了上述辉煌的成就,人们仍然希望有朝一日我们可以发现在常温常压条件下能承载更强超电流的超导体,也希望我们能够为实现量子计算找到更加可靠的硬件平台,从而为人类解决能源和信息处理这两个终极挑战带来希望。需要说明的是,一些最近的报道表明,在极端高压的条件下(大约为200万大气压),一些含氢的化合物的超导临界温度可以接近室温。但是在给定温度条件下提高压力其作用类似于在给定压力的条件下降低温度。极端高压并不是一个容易实现的条件,因此室温超导体这个梦想仍然相当遥远。而拓扑超导的研究目前也仍然处于基本原理的演示阶段,离实现拓扑保护的量子计算这一终极目标距离同样很遥远。但是话说回来,当年伏打研究青蛙腿痉挛现象的时候,能否想象现在的人类社会即使片刻停电所造成的灾难吗?

高温超导的发现不仅带动了与超导有关的材料科学的长足发展,也导致了凝聚态物理研究手段的空前发展。目前几种主要的凝聚态物理研究手段,如角分辨光电子能谱,非弹性中子散射,扫描隧道显微谱,共振非弹性X-射线散射,核磁共振谱,电子拉曼散射,光电导谱等等,无一例外因为高温超导机理的研究的需要在最近三十多年时间里都实现了跨越式的发展。此外,高温超导的研究也导致了凝聚态理论,尤其是量子多体物理认识水平的飞跃,虽然这个飞跃目前还没有达到足以解决高温超导机理问题的高度。关于超导理论方面的发展状况和面临的挑战,请看本系列的下一篇文章。


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注:本系列文章是在我的科学网博客文章(在人大物理系研究超导 --- 致中学生朋友的一封信)的基础上重新扩展写作的,将对该博文所涉及内容进行更加深入的讨论。从这个意义上说,上述博文可以看成是本系列文章的长版摘要。

编辑于 07-26