物理界超重磅發現!印度科學家發現常壓常溫超導體存在的證據?Nature雜誌審核中

科學家的某些研究是會顛覆我們想像的,

這位印度科學家發表的東西足以顛覆者個物理界!

一起來看看吧!

最近,印度科學界正處於一個非常時期:如果一篇新論文通過《Nature》的審核,那麼印度將迎來其繼拉曼效應後又一個世界重磅科學貢獻。

7 月 23 日,論文預本網站 arXiv 上面出現了一篇論文,標題翻譯過來是:《室溫和常壓下超導體存在的證據》,作者是印度科學院固體物理和結構化學系的 Anshu Pandey 教授和他的博士生 Dev Kumar。他們在論文中聲稱,在室溫和常壓下,一種由金和銀構成的納米複合材料顯現出了超導的特性。

室溫超導一直是學術界研究的熱門話題,這個奇特的性質幾度在科幻與現實之間搖擺,可望而不可及,很多物理學家願意終其一生去尋找室溫超導的答案。過去的幾十年不乏有關於「室溫超導」的論文發出,每次都會引起學界不小的討論。最後往往是討論塵埃落定,大家鎩羽而歸。

1536812618804003r4o7sn8

圖丨 Anshu Pandey(來源:印度科學院官網)

論文發出後,印度凝聚態領域的理論物理大牛們難掩興奮,畢竟這可能為印度帶來又一項諾貝爾物理學獎。上一個獲獎的印度人是著名的物理學家錢德拉塞卡拉•拉曼,他因著名的拉曼效應使他成為 1930 年諾貝爾物理學獎得主。

理論物理學家 Vijay B。 Shenoy 在一次報告會上說為這項實驗背書:「這很超導,如果實驗屬實,這種神奇材料背後的原理肯定會是一種全新的超導理論。」

另一位印度超導研究的權威 T.V.Ramakrishnan 對媒體表示:「我認為,這個實驗是真實的,很顯然,電阻和磁化率的數據符合超導的要求,它們之間也吻合得很好。至於其背後的原理,當然是重要的,但也可以稍後做探索。至今人們為超導的原理還爭論不休。」Shenoy 也補充到:「凝聚態領域幾乎所有重要的理論都要晚於實驗結果。」

然而鑒於此次研究的重要意義,文章曝出後也引發學術界的熱烈討論,其中不乏對室溫超導的質疑。一些實驗物理學家認為,本次研究並不能成為發現室溫超導的直接證據,而只是指出了一種可能性。

更有麻省理工學院的學者指出,其文中的兩組相互獨立的關鍵數據竟出現完全一樣的隨機測量誤差。這在科學界,就像是連續兩期六合彩竟開出完全相同的中獎號碼。
15368126189408n593s356q

圖 | 一塊磁鐵漂浮在超導體之上(來源:Wikimedia Commons)

金銀混合的納米顆粒

先從超導說起吧。

但凡一種材料都會有電阻。金屬的電阻很小,是良導體,因此它們被製成了傳導電流的設備,比如銅製的電纜。但是在高壓電纜上仍然會有嚴重的熱損耗,如果用超導體製成的電纜就可以完美地解決這個問題。

超導體,顧名思義,是一種超級導體,電阻為零。超導狀態下的材料除了電阻快速降到零,還會有一個顯著現象:完全抗磁性,即磁感線無法穿過一個超導體,因為超導體排斥了所有的外部磁場 (在磁場不大的情況下),從而使其內部磁場為零。把一個磁鐵放放置於超導體上,它會漂起來,在外力的作用下零阻力的移動。這個現象也叫做邁斯納效應,對於一個理想的超導體來說,體積磁化率—衡量物體被磁化的程度—為-1。

理論上講,超導體是各種電氣設備的理想材料,用它製成的電纜可以零發熱輸送很高的電流,超導磁懸浮列車可以零阻力狂奔,是不是一片另人嚮往的生活前景?

只可惜,雖然在過去的一個世紀裡人們發現了很多超導體,從單質到複合物,再到複雜的化合物甚至是奇異物質,我們還是沒有辦法實現這些美好的生活願景。因為這些超導體無一列外是低溫超導,這個低溫不是你家冰箱的冷凍室,也不是穿著短褲站在南極的冰面上,而是接近絕對零度 (-273°C) 的低溫,這個溫度下幾乎所有氣體都是液態。
153681261891395786o72r6

圖 | 實驗中使用的電極,深灰色區域附有金銀混合物薄片,薄片有 100nm 厚,黑色的長條長度為 3mm(來源:此次論文)

那麼,Pandey 的團隊是在什麼樣的實驗中發現室溫超導的呢?

這個實驗說簡單也簡單,他們將直徑為 1nm 的銀顆粒嵌入到了金的網格中,並將這種混合物製備成了直徑為 10-20 納米的顆粒。值得注意的是,論文只提及了製作這種混合物的方法叫化學燒結法,對其詳細過程並沒有作詳細描述。這些納米顆粒進而再被製成薄片,附在電極上面,以方便測量其電阻。

隨著溫度的降低,電阻剛開始並沒有什麼顯著的變化,但是當溫度降低到 230-240K 的區間時,電阻一下子從 0.7 歐降到了 100 毫歐。報告中說由於儀器精度的限制,他們推測實際的測量值可能還要更低。這意味著每單位長度的電阻將小於 0.1 納歐,比普通金銀的電阻整整低兩個數量級。Pandey 估計了臨界溫度在 236K(-37.15°C)附近。臨界溫度隨外磁場的升高而降低,也符合超導體的特性。
15368126187988ron826ps5
1536812618801n610ns133p

圖 | 電磁特性隨溫度的變化。左為電阻,右為體積磁化率。(來源:此次論文)

在抗磁性方面,Pandey 測量了材料的體積磁化率隨溫度的變化。發現它在臨界溫度附近從零降到了-0.06。這個值離理想超導體的-1 還差得很遠,不過研究人員給出了一個理由,純度不夠。等效地說材料有 6% 的區域是超導。

「這個實驗做得很乾凈且有說服力」,數學科學研究所的 GanapathyBaskaran 教授說,「對於粒狀超導來說,10%的超導佔比已經不低了。」

物理「聖杯」的爭議:誇大其詞?數據異常?

目前為止,236K 的臨界溫度離室溫還有一段距離,Pandey 在論文中僅僅提出了達到室溫的一種可能性:降低材料中金的比例。在他們聲稱的另一項研究中,一塊含有較少金成份的樣品在溫度降到 320K(46.85°C)時,其電阻驟降了三個數量級。這個溫度已經要比赤道上很多地方的溫度要高了。該樣品的體積磁化率為 -0.037,也屬於完全抗磁的範疇。

不過,很多實驗物理學家指出,這些證據最多指向了室溫超導的可能性,並不能用為發現室溫超導的直接證據。

回到這次的研究上,關於為什麼選擇金和銀做為素材,Pandey 僅僅在論文中說:「本著一種去尋找非聲子模型的目的,我們才把注意力轉移到用金和銀製成的納米結構的。」面對更多的提問,Pandey 選擇了緘默。眾多理論物理學家對他的回答採取了一種寬容的態度:「他們用這種材料肯定有其自身的原因,我相信在論文被接受發表之後,他們肯定會透露更多的細節的,」Shenoy 說。

Ramakrishnan 已經開始動員印度科學家研究 Pandey 實驗中的這種金銀納米結構了。「我們還要讓化學家們參與進來,因為他們更懂得如何去製備這種納米材料,而論文的作者也沒有提供有用的細節。另一方面,物理學家還要研究這個結構的其它電磁性質,以及光學性質。我確信,世界上已經有好幾個研究組著手研究了。」

但是,在理論物理學家們的支持論調下,Pandey 的真正同行――實驗物理學家――卻顯得更加嚴謹。一位不願透露姓名的超導實驗物理學家指出,實驗的數據不完整,「論文標題是室溫超導,而數據卻只支持 236K 的超導。是這更像是一項尚未完成的工作,除非他們給 《Nature》 雜誌提交了更完整的數據。」實驗所能達到的測量精度則更讓他糾心。「測量精度最好能達到 1 毫歐(1e-3 歐),也就是說壓降精度要達到 1 納伏 (1e-9 伏)。磁化率的數據也需要更精確。」

他還指出實驗缺乏一項關鍵數據――場冷卻數據。這項數據在實驗者先打開測量磁場後將樣品冷卻時獲得。這項數據可以幫助計算出準確的超導區域佔比,從而與磁化率進行交差驗證。

此外,還有對研究中數據質疑的聲音出現。 8 月 10 日,一篇麻省理工學院 Brian Skinner 博士的文章對數據提出了疑問。這篇文章已提交在 arxiv預印本網站上。

Brian Skinner 指出,研究中的兩組數據十分奇特,下圖為兩組數據的放大圖。該圖描述了樣品磁化率隨溫度的變化函數,是這項超導研究的關鍵數據。可以看出,圖中藍色部分和綠色部分的數據構成完全相同的形狀,而只是位置向下移動。
153681261884568o23q7nnr

圖 | 原研究超導率函數圖的放大圖 (來源:ArXiv)

Brian Skinner 博士對此表示,「數據出現的這一特徵在我的認知內史無前例,而且並沒有明顯的理論能夠解釋。」

如今這篇論文,從標題上看註定不會是一篇平常的論文,然而登出大半個月後,學術圈裡出現了截然不同的兩種聲音。難道這又是一次「狼來了」的作秀,還是裡面另有隱情?

路漫漫其修遠兮

事實上,超導現象第一次被發現已經是一個世紀之前的事情了。

像很多科學現象被發現的過程一樣,超導現象也是在不斷改進和提升技術的過程中被偶然發現的。20世紀初期,歐洲的機械工業化已經發展到了相當高的水平。當時世界上各個實驗室都力圖實現將沸點很低的氦氣液化。1911年,萊頓大學的卡末林•昂內斯 (H.KamerlinghOnnes) 成功地將氦氣液化到 4.2K(-269°C),這為他研究物質在極低溫度下的性質提供了方便,也是在這個時候,他偶然發現了水銀的超導現象。這個發現為他贏來了兩年後的諾貝爾物理學獎,同時也開啟了科學家探索超導體的熱潮。
15368126189197883s16p38

圖 | 卡 末 林•昂 內 斯 (右 ) 和 他 的 實 驗 員 蓋 芮 特灢菲 立 姆 (左 ) 於 1911 年 在 世界上首台氦液化器旁的照片

1980 年代之前,超導的研究還集中在單元素金屬和多元合金中。通常稱這些金屬或金屬合金的超導體為常規超導體, 這些材料包括水銀,鋁,鉛和其它金屬合金如鈮錫,鈮鈦和鈮鍺合金。它們的臨界溫度 Tc(即從導體轉變為超導體的溫度)在 20K 以下,這個溫度和液態氫的沸點差不多。

彼時,超導轉變溫度太低,需要昂貴的液氦設備,科學家努力探索提高超導臨界溫度的途徑。只是歷史的發展總是一樣,在一件標誌性事件發生之前,人類的想像力總是受限,金屬類的超導似乎並不能滿足人們對高溫超導的期望。
153681261891823p505338r

圖 | 超導體的轉變溫度隨被發現的時間的關係(來源:此次論文)

這一件標誌性的事件發生在 1986 年。

IBM 蘇黎世研究院的德國科學家柏諾茲(J.Georg Bednorz) 和繆勒 (Karl A.Muller) 科學家對一種陶瓷材料已經研究了很久,這一年年底,他們發現鋇鑭銅氧化物(BaLaCuO 或 LBCO)在 33K以下表現出了超導的特性。

現在來看,這個臨界溫度比它的金屬前輩並沒有高出多少,但是在那個年代已經是很高的溫度了,而且突破了液氫的沸點,從此便可以用更廉價方便的液氮來降溫。這兩位科學家次年便被授予了諾貝爾物理學獎,這是為數不多的幾次諾獎被授予了新的發現,可見這次高溫超導的重要性。

這是一個偉大的發現,它開創了高溫超導體的井噴時代。在隨後的十年里,陸續有新的銅氧化物在高溫下表現出超導特性,臨界溫度從最開始的 33K 一路升到了 98K (YBaCuO)。1993 年,汞鋇鈣銅氧系統 (HgBaCaCuO) 的臨界溫度達到了最高的 138K(常壓),在高壓下(30 萬個大氣壓)甚至可以達到 164K。而迄今為止最高的記錄是 2015 年的 203K,值得注意的是,這一記錄保持者不是銅氧系統,而是高壓下的鋶化氫系統。

雖然 203K(-70°C)比南極溫度還要低上那麼一點點,但是它極大激發了人們的想像。南極已經到了,赤道還會遠嗎?這些高溫超導中是否可以找到一些室溫超導的蛛絲馬跡呢?

超導本質上是一個量子現象。1957 年,Bardeen、Copper 和Schrieffer 提出著名的 BCS 理論,對這一現象做了很好的解釋。晶體的晶格振動往往以聲子的形式呈現,電子與聲子的相互作用可以產生一種「膠水」,使本來相互排斥的電子互相吸引,兩兩成對,這些配對的電子被叫做庫珀對 (Cooper)。當材料的溫度降低到臨界溫度以下時,所有電子庫珀對都處於有序的相干的基態,它們像液體一樣,共同從導體中穿過,與晶格之間不再發生散射。宏觀上看,電子就在導體中無障礙傳輸了。而臨界溫度的存在,是因為較高溫度下的晶格振動對庫珀對造成了破壞。三人因此理論獲得了 1972 年的諾貝爾物理學獎。
1536812618970n0r14s793r

圖 | 「BCS 理論」創立者——巴丁 & 庫珀 & 施里弗

美國科學家麥克米蘭基於 BCS 理論計算,認為超導臨界溫度不太可能超過 39K(-234℃),39K 這個溫度也被稱為「麥克米蘭極限」。這個極限溫度一度被主流學界所接受。

回到這次的研究上,該項研究並沒有在物理學家之間掀起軒然大波,也沒有在博客上和社區上的引起人們的興趣,大概是物理學家們都十分清楚,室溫超導的份量和其承載的意義。

如果室溫超導真的成為可能,那麼很多科幻作品裡的設想就會變成現實。面對這樣大的可能的發現,每人個都屏息凝神,靜靜地等待著 Nature 雜誌的最後判決。可以肯定的是,如果 《Nature》 發表了這個發現,整個世界將為之譁然,超導理論發展將開展也新的篇章。

你有什麼看法呢?

但科學的世界真的離我們太遙遠….

你可能想看
x