超導(dǎo)是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，目前全世界已有10位科學(xué)家憑借超導(dǎo)研究成果共獲得5次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與強(qiáng)磁場科學(xué)中心聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在超高壓條件下，首次在一種新的材料――二硫化鉬中觀測(cè)到了超導(dǎo)現(xiàn)象。神奇的超導(dǎo)體是什么，對(duì)人類生活有何影響?記者日前深入中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，采訪了固體物理研究所副研究員遲振華。

神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象

時(shí)速600公里的磁懸浮列車如果開通，那將意味著什么?從北京到上海只需要兩個(gè)半小時(shí)! 1月25日，600公里高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)方案在青島通過專家評(píng)審。高速磁浮課題負(fù)責(zé)人、中車四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹，按照計(jì)劃，今年將研制一節(jié)樣機(jī)，2020年研制出時(shí)速600公里的高速磁浮樣車，并完成5公里試驗(yàn)線驗(yàn)證。超高速的磁懸浮列車，應(yīng)用的就是超導(dǎo)技術(shù)。

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林?昂內(nèi)斯意外發(fā)現(xiàn)：將汞(水銀)冷卻到4.17K(-268.98℃)時(shí)，它的電阻突然降為零。由于這一偉大發(fā)現(xiàn)，他獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。遲振華介紹，超導(dǎo)是指電流可以毫無阻礙地通過導(dǎo)體，這種超級(jí)導(dǎo)體簡稱超導(dǎo)體。當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到一定溫度時(shí)，電阻突然消失，即零電阻;同時(shí)外磁場的磁力線無法穿透到其內(nèi)部，即完全抗磁性，物理學(xué)上稱作邁斯納效應(yīng)。普通導(dǎo)體，即使冷卻到絕對(duì)零度附近也會(huì)有殘余電阻，在長距離輸電過程中會(huì)因發(fā)熱而造成能量損耗。

有專家測(cè)算，采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%，我國每年輸電損耗達(dá)1000億度。如果采用超導(dǎo)電纜在超導(dǎo)狀態(tài)輸電，每年節(jié)省的電量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電量。超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就如同練就了“金鐘罩”“鐵布衫”，將其置于普通磁體產(chǎn)生的磁場中時(shí)，由于邁斯納效應(yīng)，對(duì)外部磁力線的排斥作用會(huì)達(dá)到“懸浮”的效果，此即超導(dǎo)磁懸浮列車的工作原理。

高壓之下出奇跡

二硫化鉬在90萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓左右的壓力條件下變成超導(dǎo)體，在130～220萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(接近地球外核壓力)的壓力范圍內(nèi)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界溫度可高達(dá)12K(-261.15℃)……

近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院遲振華等研究人員，在自主搭建的高壓綜合測(cè)試平臺(tái)上，利用金剛石對(duì)頂砧產(chǎn)生的超高壓條件，通過低溫電阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)了這一秘密，并通過密度泛函理論計(jì)算解釋了超導(dǎo)出現(xiàn)的微觀機(jī)制。相關(guān)研究成果刊登在國際物理類頂尖期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。審稿人稱贊，“該工作首次在一個(gè)新的材料中觀測(cè)到了超導(dǎo)電性，具有新的物理意義”。

遲振華介紹，在發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)體方面，高壓扮演著重要角色。元素周期表中最簡單的元素氫，在超高壓下的單原子金屬態(tài)被預(yù)言是室溫超導(dǎo)體。元素周期表中大多數(shù)元素在高壓下都是超導(dǎo)體，包括人們每天吸入的氧。 2015年，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)具有臭雞蛋氣味的硫化氫在高壓下也是超導(dǎo)體，臨界溫度在-70℃左右，接近地球表面極寒地區(qū)的溫度，是目前報(bào)道的最高超導(dǎo)臨界溫度。實(shí)驗(yàn)室生成高壓是利用一種被稱作金剛石對(duì)頂砧的便攜式裝置，其核心部分是一對(duì)經(jīng)過切割打磨的寶石級(jí)金剛石。實(shí)驗(yàn)中，通過外力驅(qū)動(dòng)兩顆金剛石互相擠壓產(chǎn)生壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)通過傳壓介質(zhì)傳遞到樣品，目前實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的壓強(qiáng)紀(jì)錄超過500萬個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

目前，通過層間插入金屬原子和施加靜電場偏壓兩種物理化學(xué)調(diào)控手段，分別可在二硫化鉬中誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性，但迄今還沒有壓力誘導(dǎo)超導(dǎo)電性出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。高壓之下到底能否讓二硫化鉬變成超導(dǎo)體?為了實(shí)現(xiàn)二硫化鉬變成超導(dǎo)體的奇跡，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，在超高壓下首次觀測(cè)到二硫化鉬的超導(dǎo)行為，相較于上述兩種手段，高壓手段具有干凈高效等明顯優(yōu)勢(shì)。

新發(fā)現(xiàn)意味著啥

二硫化鉬是一種廣泛應(yīng)用的固體潤滑劑和催化劑，同時(shí)又是一種半導(dǎo)體。 “如果通過某種手段能將二硫化鉬轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，將會(huì)極大拓展它的應(yīng)用前景。 ”遲振華表示，作為石墨烯的競爭者，單層二硫化鉬是一種具有直接能隙的半導(dǎo)體材料，有光致發(fā)光等優(yōu)良的光學(xué)性能，在納米光電器件方面有光明的應(yīng)用前景。

過去，科學(xué)家通過層間插入法和電場調(diào)控，雖然可以將二硫化鉬轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體，但有很多不足之處。遲振華透露，層間插入法是將堿金屬原子或過渡金屬原子插入到二硫化鉬層與層之間的間隙，電子從金屬原子轉(zhuǎn)移到二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導(dǎo)體;電場調(diào)控是在二硫化鉬表面滴一滴導(dǎo)電離子液體，通過施加偏壓電場調(diào)控電子填充二硫化鉬的能帶，從而將其變成超導(dǎo)體。 “然而，前一種方法容易造成化學(xué)成分不均勻;后一種方法工藝比較繁瑣，而且僅表面的薄層區(qū)域變成超導(dǎo)體。 ”遲振華說，他們則另辟蹊徑，在超高壓下首次觀測(cè)到二硫化鉬具有超導(dǎo)性。

超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)源于人們對(duì)低溫世界的好奇，但超導(dǎo)如同量子糾纏一般，既是物理世界中最奇妙的現(xiàn)象，又是當(dāng)今物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。超導(dǎo)的神奇特性，決定了其在電力輸運(yùn)、醫(yī)療器械磁體、微波器件以及磁懸浮列車等應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 100多年來，超導(dǎo)研究在科學(xué)上的重要性及其巨大的應(yīng)用前景，吸引了無數(shù)科學(xué)家的目光，目前已有10人因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

在鐵基超導(dǎo)研究領(lǐng)域，我國目前走在了世界的最前沿。2014年1月，中科大陳仙輝教授與中科院物理所合作完成的“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究”項(xiàng)目，問鼎2013年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。該研究首次突破40K(約-233℃)麥克米蘭極限溫度，創(chuàng)造并保持55K(-218.15℃)鐵基超導(dǎo)體臨界溫度最高紀(jì)錄。

“超導(dǎo)雖好，但大多數(shù)情況下需要在極低溫或超高壓等極端條件下才能實(shí)現(xiàn)，所以應(yīng)用起來受到極大的限制。 ”遲振華表示，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)常溫超導(dǎo)體，一旦發(fā)現(xiàn)那將是一個(gè)顛覆性的突破，全世界的科學(xué)家都在朝這個(gè) 夢(mèng) 想 努力。“下一步，我們將利用掌握的超高壓技術(shù)，在探索具有更高超導(dǎo)臨界溫度的超導(dǎo)體方面繼續(xù)努力，希望能取得更多更好的研究成果。 ”