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全球热议“室温超导”新打破可控核聚变要完成了?

发布时间: 2023-03-14 作者: 贝博官网体育下载

  据美国物理学会(APS)网站显现,美国罗切斯特大学助理教授、哈佛大学物理系研讨员、凝聚态物理学家迪亚兹(Ranga Dias)在当地时刻3月7日举办的“静态超导试验”陈述会议上发布了一份最新研讨效果:

  Dias团队经过试验,发明出了一种在室温文相对较低压力的可在实践条件(Practical conditions)下作业的“超导体”。该超导体由三元氢化物(Lu-N-H,即氢、氮和镥)在约20℃温度下、以及1万个标准大气压的压力下进入超导状况,具有彻底导电性,然后探究这种新式超导体在室温环境中使用的或许。

  该音讯传开,在全球的物理学届乃至科学界都在热议。我也有同行朋友在现场参加了这场陈述会,从现场相片来看,济济一堂,反常火爆,出于安全考虑乃至需求保安来维持秩序。这个陈述内容关于全球来说,或许都是一个非常具有影响力的科学作业。一起我也看到,相关内容在网上也引发了网友火热的谈论,一方面遭到许多科学界的质疑,另一方面,有些谈论乃至说“这个效果能让可控核聚变很快完成”。我一直在中科院合肥研讨院等离子体物理研讨所,从事聚变设备大型超导磁体的研讨作业,结合我的研讨,来谈谈我对这件作业的观点。

  这个陈述的首要内容便是,Dias团队发现了一种新的金属氢化物(Lu-N-H,氮掺杂氢化镥),能在室温(294K,约20℃)和近环境压强下(1GPa,约1万个标准大气压,比此前研讨效果低了两个数量级)完成超导,并且经过电阻率丈量(零电阻特性)、磁化率丈量(迈斯纳效应)和比热容丈量的效果进行佐证。

  Lu-N-H在10±0.1kbar时取得最高改变温度294K。图片来历:Dias的《天然》杂志文章

  从这个效果自身来说,假如其他的科研团队可以独登时重复该作业,那将极大地推进常温常压超导体的研讨和使用,用作者的话说“近环境压强超导和使用技能的拂晓现已到来”。

  超导是20世纪最巨大的发现之一。1911年,荷兰莱顿大学物理学家昂纳斯(H. Kamerlingh Onnes)在一次试验中偶尔发现:将金属汞冷却到4.2K(零下268.95℃)的超低温时,其电阻忽然消失的现象,此刻电流可以毫无阻止地经过导体而没有任何的损耗。

  后来经过许多的试验,他发现许多金属和合金都具有与汞相似的在低温下电阻消失的特性,昂纳斯称这一特别的导电性能为“超导态”。凭仗这一发现,昂纳斯取得1913年诺贝尔物理学奖,而1911年也被物理学界称为“超导元年”。

  超导的英文名称为Superconductivity,望文生义为超级(完美)导体,昂纳斯首要发现当汞冷却到必定温度以下时电阻消失,并命名为超导态。因而,零电阻是人类观察到超导态的第一个特性,也是最直观最简略了解的一个特性。后来研讨标明,一些特别的资料当其温度低于某个特定值时将进入超导态,这个温度称为超导改变温度(Tc,亦称为临界温度),不同的超导资料具有不同的临界温度。一旦进入超导态,超导体将从电、磁、热三个方面独登时表现出一些美妙的特性,下面将介绍超导体的两个首要特性:

  零电阻特性,永不消逝的电流。零电阻是人类知道超导的第一个特性,进入超导态超导体是没有电阻的,假如做一个超导环路并感应出电流,那么它可以永久环流而几乎不衰减。据大略估量,超导环路电流衰减到零的时刻将超越世界寿数。

  迈斯纳效应,拒之门外的磁场。1933垂暮斯纳(W. Meissner)和奥克森菲尔德(R. Ochsenfeld)发现了超导体另一个重要特性——彻底抗磁性,即“迈斯纳效应”。当温度降到超导改变温度下,处于超导态的超导体能将磁力线彻底排挤出去,即超导体内磁场为零。

  这是因为超导体接近磁场时会在其外表感应出超导电流,这个超导电流会在超导体内部发生一个与外磁场方向相反巨细持平的磁场,两磁场彼此抵消使其内部总磁场为零,即超导体排挤体内磁场。这一特性会发生一个风趣的现象——量子确定,电影《阿凡达》中的哈利路亚山正式基于此效应才得以悬浮在云端。所谓的确定,不只仅是悬浮或是悬挂,而是以恣意姿势“确定”于空中。这是因为迈斯纳效应的存在,外加磁场的磁力线包络了超导体,从而抵消了其重力,磁悬浮列车正是迈斯纳的实践使用。

  以上介绍的零电阻特性和迈斯纳效应,仅仅微观量子现象的描绘,也可作为超导态的重要判别依据(Dias的陈述中经过这两个性质丈量效果证明Lu-N-H进入超导态),但短少严厉的微观物了解说。直到1957年,美国科学家巴丁(John Bardeen)、库伯(Leon Cooper)和施里弗(John Robert Schrieffer)提出了惯例金属超导体的微观理论,即BCS 理论。

  BCS理论中一个重要的假定便是电子间存在招引力,简略来说便是一个电子会招引周围的金属晶格而导致其周围正电荷细微添加,而正电荷的添加又会招引另一个电子,这两个电子被称为库珀对。而配对的电子假如动量和自旋相反,则在运动过程中可以坚持“步调一致”(即相位相干),在外电场效果下可以四通八达定向运动而不丢失能量,这便是超导的零电阻效应。而这个条件是,金属晶格的热振荡很弱不足以损坏库伯对,使其坚持相互束缚的状况,这便是为什么金属超导体都有一个改变温度(Tc)的原因,只要温度足够低,晶格热振荡才会变得弱小而不损坏库伯对。

  关于BCS超导机理,闻名物理学家李政道先生曾将单个电子形象表明为单翅蜜蜂,并提议做了下面这幅漫画,题曰“单行苦奔遇阻力,双结生翅成超导”。

  有了BCS理论的支撑,相同温度下晶格热振荡越弱的超导资料,其超导改变温度(Tc)就越高。那同一温度下谁的晶格热振荡最弱呢?肯定是原子质量最小的那个。而天然界中最轻的元素是氢,假如能将氢变成金属,就或许取得室温或更高的超导改变温度(Tc)。困难的是氢原子间彼此效果太弱,至少需求500万个大气压才能让其变成金属,所以研讨人员考虑经过氢化物方法引进重原子拉住氢原子,并结合外部加压的方法,来取得高的超导改变温度(Tc),Dias的作业便是沿着这一思路进行。

  2018年,研讨人员发现,氢化镧(LaH10)可在-23℃温度和190万个大气压条件下完成超导(图中绿色圈符号),其超导改变温度(Tc)接近于家用冰箱冷室的温度。而Dias团队发现更为杂乱的三元氢化物(Lu-N-H)可以在1万个大气压条件下,将改变温度(Tc)进步到约20℃的室温,在大大下降压强条件的一起将改变温度进步到室温。假如被证明具有可重复性,将是室温超导的成功曙光。

  各类超导体发现的时代和改变温度,其间绿圈符号的为氢化镧(LaH10),而赤色圈符号的是Dias团队在2022年被《天然》杂志撤稿的作业。图片来历:《我国科学》

  首要,陈述中给出的效果标明在10kbar之后跟着压强(P)的升高改变温度(Tc)反而下降,这让我们非常困惑和质疑,有待进一步研讨。

  Lu-N-H的超导改变温度(Tc)随压强(P)的改变,当压强约为10kPa时改变温度呈现峰值为294K,之后跟着压强(P)升高改变温度(Tc)下降。其间,ρ电阻率,χ^ (a.c.)动态磁化率,χ^ (d.c.)静态磁化率,c比热容。图片来历:Dias的《天然》杂志文章

  其次,就要追溯到Dias团队在2020年宣告的一项研讨效果,其时,他们宣称开发出了一种由碳、氢和硫制成的资料,它在约15℃温度和267GPa(相当于大气压的260万倍)的环境下,电阻急剧下降乃至消失。经尖端科学杂志《天然》杂志宣告后,这篇陈述从前盛极一时,但也引发了很大争议,科学界纷繁置疑一些数据或许存在诈骗行为。后来,Dias团队在2020年11月20日对文章进行了更正。可是2022年2月,《天然》在该论文中附上了一份修改阐明,表明正在查询数据问题,主张读者在引用时要慎重。9月,《天然》不管Dias及其合著者的对立,撤下了这篇陈述。

  Dias地点团队的论文于2022年9月26日被《天然》撤稿。图片来历:《天然》杂志

  相同的团队,在同一范畴的研讨,令人困惑的数据,从前撤稿的论文,所以我们在惊叹这次陈述内容的一起,也多了一份慎重和质疑。别的,现场主持人还宣告,因为特别的原因,不许现场发问。不过该项研讨效果现已宣告于《天然》杂志,信任很快就会有跟进研讨。所以我们可以抱着科学的情绪继续重视,耐性等候其他研讨组能否独登时重复该项作业,在此之前仍是不要过度炒作。

  超导资料具有零电阻和彻底抗磁性等一系列奇特的特性,在动力、科研、医疗、交通等各个范畴均有重要用处。我重视到,许多网上谈论都提到了室温超导在可控核聚变范畴的使用,核聚变能可以满意人类对终极动力的一切愿景,它不只清洁、安全、高效,并且取之不尽用之不竭。

  可控聚变研讨是一项杂乱的大科学工程,而超导磁体是其核心部件之一,也是完成稳态运转的关键技能。托卡马克设备依托强磁场完成对高温等离子体束缚,其单位体积内聚变功率正比于磁场强度的4次方,即P_Fusion/V〖≈8p〗_th^2∝β_N^2 ε^2 q_95^(-2) B^4。所以,取得相同的聚变功率,进步磁场强度可以有用缩小托卡马克设备的规划和造价。以世界热核聚变试验堆(ITER)为例,其环向磁场强度为5.3特斯拉、大半径约为6米;而到达相同焚烧条件的FIRE设备,其环向磁场强度为10特斯拉、体积却只要ITER的1/25,造价更仅仅ITER的约1/20。

  超导体的使用不只受改变温度(Tc)影响,还遭到临界磁场和临界载流密度的影响,一起还要考虑超导资料制备和磁体绕制的技能可行性。所以,具有高临界磁场的高温超导磁体在同等条件下可以完成更高磁场,已成为未来超导托卡马克聚变设备规划的首选方案。2021年9月,MIT宣告选用YBCO绕制的高温超导磁体发生了20特斯拉的最高场,并方案使用该技能在2025年建成第一个可以完成能量增益的磁束缚聚变设备。

  依据相关陈述,Dias团队仅仅发现了一种在近环境压强和室温条件下具有超导性的三元氢化物系统。假如该项研讨可以被其他研讨组独立重复,将叩起近环境压强室温超导研讨和使用的大门。但从超导资料研讨到实用化还有很长的路要走,特别是使用于杂乱的聚变堆超导磁体,不过可控核聚变研讨更期待着具有更高临界参数和实用价值的超导资料被发现。

  即使是现已产业化的高温超导体,使用于大孔径高温超导磁体还面临许多技能应战,且也需求运转在超低温条件下以取得高磁场强度。面临应战,等离子体物理研讨所科研团队已提前布置,在新式导体结构规划与制备、磁体规划剖析与制作、安稳运转确诊与评价等方面均有所打破,以高场超导磁体技能发展助力可控聚变工作。

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