高溫超導(dǎo)新浪潮

鐵基高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，掀起新一輪超導(dǎo)熱潮，它能否為人類(lèi)最終走向“超導(dǎo)技術(shù)革命”帶來(lái)真正的曙光

《財(cái)經(jīng)》記者 徐超

每年一度的美國(guó)物理學(xué)年會(huì)，堪稱(chēng)全世界物理學(xué)家們的盛會(huì)。會(huì)議所關(guān)注的前沿話題，在很大程度上扮演著“風(fēng)向標(biāo)”的角色。

3月16日至3月20日，在賓夕法尼亞州召開(kāi)的2009年年會(huì)上，最大的熱點(diǎn)非高溫超導(dǎo)莫屬。在大會(huì)安排的共計(jì)501場(chǎng)討論中，有54場(chǎng)均與高溫超導(dǎo)體有關(guān)，鐵基超導(dǎo)體占了27場(chǎng);每個(gè)涉及高溫超導(dǎo)的會(huì)場(chǎng)中，無(wú)一例外擠滿(mǎn)了聽(tīng)眾。

這一幕，似乎讓人恍然回到1987年的年會(huì)。那是高溫超導(dǎo)歷史上真正的“黃金時(shí)代”。當(dāng)時(shí)一個(gè)關(guān)于高溫超導(dǎo)的議題，先后有51名科學(xué)家發(fā)表演講，聽(tīng)眾達(dá)2000多人。

時(shí)隔20多年后，“高溫超導(dǎo)熱”重來(lái)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、國(guó)家超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任聞?；⒏嬖V《財(cái)經(jīng)》記者，自2008年初第一個(gè)鐵基高溫超導(dǎo)材料誕生以來(lái)，全世界已有數(shù)百位科學(xué)家加入鐵基高溫超導(dǎo)材料研究的大軍。

而一旦高溫超導(dǎo)能夠取得突破，甚至實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)夢(mèng)，也許我們每個(gè)人的生活和所處的整個(gè)時(shí)代，都會(huì)為之改變。

超導(dǎo)之秘

超導(dǎo)現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)，要追溯到1911年。當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)在利用液氦對(duì)汞進(jìn)行冷卻時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人吃驚的現(xiàn)象:當(dāng)溫度下降到4.2K(K為絕對(duì)溫標(biāo)，0K=-273.15℃)時(shí)，電阻突然一下子完全消失了。也就是說(shuō)，如果把超導(dǎo)體作成一個(gè)環(huán)，在環(huán)中感應(yīng)出電流以后，電流能在超導(dǎo)環(huán)中永無(wú)休止地運(yùn)行下去。而對(duì)于普通物質(zhì)來(lái)說(shuō)，一旦電源被切斷，由于電阻的作用，電流很快就會(huì)停止。

這種在當(dāng)時(shí)看上去不可思議的現(xiàn)象，被人們稱(chēng)為“超導(dǎo)”。到了1933年，德國(guó)物理學(xué)家弗里茨·邁斯納(Fritz Walther Meissner)和羅伯特·奧森菲爾德(Robert Ochsenfeld)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體體內(nèi)的磁場(chǎng)恒等于零;也就是說(shuō)，超導(dǎo)體擁有完美的抗磁性。

但是，超導(dǎo)現(xiàn)象到底是如何產(chǎn)生的，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直困擾著物理學(xué)界。因?yàn)椴⒉皇撬械慕饘俣紩?huì)在低溫時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。有些金屬哪怕降溫到不能再低的0K，仍然頑強(qiáng)地保留著電阻。

試圖征服這一理論難題的“失敗者”名單，可以排出長(zhǎng)長(zhǎng)的一串來(lái)，其中甚至包括愛(ài)因斯坦、海森堡等物理學(xué)大師。

直到1957年12月，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的約翰·巴丁(John Bardeen)教授、利昂·庫(kù)珀(Leon Cooper)博士和羅伯特·施里佛(Robert Schrieffer)博士提出了一個(gè)新的理論，即BCS理論(B.C.S. theory)，才初步揭示了超導(dǎo)成因之謎。

根據(jù)這種理論，電子在普通金屬中流動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)楸痪Ц耠x子散射而消耗能量，從而形成電阻。而在超導(dǎo)體中，由于電子和晶格離子之間的一種特殊相互作用，使得兩個(gè)電子之間會(huì)形成束縛對(duì)——庫(kù)珀對(duì)(Cooper paris);這種電子對(duì)作為整體并不會(huì)被晶格散射，從而可以像幽靈一樣無(wú)阻地流動(dòng)，表現(xiàn)出超導(dǎo)性。此外，由于組成庫(kù)珀對(duì)的兩個(gè)電子間的作用力大小不同，也決定了不同物質(zhì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度往往各異。

但這種超導(dǎo)理論所帶來(lái)的也許并不都是好消息——根據(jù)這種理論，超導(dǎo)體的臨界溫度不大可能高于40K，即大約零下233攝氏度。而溫度過(guò)低，顯然會(huì)極大地限制超導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，哪怕僅僅在科研領(lǐng)域。因?yàn)橐獎(jiǎng)?chuàng)造如此低溫的環(huán)境，就需要龐大的制冷設(shè)備;而其實(shí)際的運(yùn)行和維護(hù)成本，很可能是一個(gè)天文數(shù)字。

在此之后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，人們發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料確實(shí)都沒(méi)有突破這一極限。即使到了1973年，合金超導(dǎo)材料出現(xiàn)之后，其轉(zhuǎn)變溫度也僅僅被提高到23K。

第一次浪潮

幸運(yùn)的是，物理學(xué)家的困局并沒(méi)有持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間。引導(dǎo)這次革命性突破的，是當(dāng)時(shí)在美國(guó)IBM公司工作的繆勒(K A. Muller)和柏諾茲(Johannes George Bednorz)。

1986年1月，他們?cè)诎唁^攙雜進(jìn)鑭銅氧化物之后，成功地獲得了一種轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)35K的陶瓷材料。這一轉(zhuǎn)變溫度，比之前的記錄一下子提高了12K。

不過(guò)，當(dāng)年4月，當(dāng)這一成果刊登在并不太知名的德國(guó)《物理學(xué)期刊》上時(shí)，并沒(méi)有受到多少人真正關(guān)注。一直到七個(gè)月后，美國(guó)休斯敦大學(xué)和日本東京大學(xué)的研究小組，在各自的實(shí)驗(yàn)室中分別驗(yàn)證了這一發(fā)現(xiàn)后，人們才真正意識(shí)到，一個(gè)新的“高溫超導(dǎo)”時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。

之后，包括中國(guó)、美國(guó)、日本以及歐洲在內(nèi)，全世界數(shù)以百計(jì)的實(shí)驗(yàn)室都投入到這場(chǎng)高溫超導(dǎo)新浪潮中去，轉(zhuǎn)變溫度的記錄也一再被刷新。

其中，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員的趙忠賢(現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院院士)所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，就是位于這一前沿漩渦中心的團(tuán)隊(duì)之一。1987年初，該小組在世界率先獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體，即轉(zhuǎn)變溫度超過(guò)77K的超導(dǎo)體。之前，由于轉(zhuǎn)變溫度過(guò)低，人們只有使用價(jià)格極其昂貴和復(fù)雜的液氦進(jìn)行冷卻;而跨越到液氮溫區(qū)，無(wú)疑會(huì)大大降低冷卻成本。

這一次超導(dǎo)熱潮，整整持續(xù)了八年。作為新一代主流超導(dǎo)體材料，銅氧化物的轉(zhuǎn)變溫度最終被成功提高到了164K(高壓狀態(tài)下)和134K(常壓狀態(tài)下)。同時(shí)，隨著研究的逐步深入，高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用也開(kāi)始起步或者說(shuō)萌芽。

目前，用高溫超導(dǎo)材料制成的磁鐵，已經(jīng)成為科學(xué)家探索未知物質(zhì)世界的有力武器之一;因?yàn)椴挥脫?dān)心它因電流過(guò)大帶來(lái)的散熱問(wèn)題，所以可以產(chǎn)生更強(qiáng)、更穩(wěn)定的磁場(chǎng)。無(wú)論是在已經(jīng)啟動(dòng)的投資高達(dá)上百億美元的國(guó)際熱核聚變項(xiàng)目(ITER)中，還是一些空間探測(cè)器中，超導(dǎo)磁鐵都是核心部件之一。

很多醫(yī)用的核磁共振(NMR)儀器，都已經(jīng)采用了超導(dǎo)磁鐵。超導(dǎo)磁鐵還可以用于未來(lái)的磁懸浮列車(chē)，它產(chǎn)生的強(qiáng)大磁力，足以使得列車(chē)懸浮在大約12厘米的軌道上空。目前常規(guī)磁鐵只能提供大約2厘米的懸浮力量。

此外，在電力傳輸領(lǐng)域，超導(dǎo)材料也表現(xiàn)出驚人的應(yīng)用前景。中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員肖立業(yè)對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，除了不存在任何傳輸損耗，超導(dǎo)材料單位截面積傳輸?shù)墓β剩餐葌鹘y(tǒng)銅電纜高出好幾倍。目前，中國(guó)很多城市地下管道容量有限，如果采用超導(dǎo)電纜，就可以利用現(xiàn)有的管道滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的電力需求。在美國(guó)新出臺(tái)的能源變革計(jì)劃中，超導(dǎo)電網(wǎng)已被提到了國(guó)家戰(zhàn)略高度。

當(dāng)然，一旦超導(dǎo)技術(shù)可以與現(xiàn)有集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，很可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)革命。因?yàn)槌瑢?dǎo)集成電路的功耗極低，即使運(yùn)算速度再快100倍，也不會(huì)有散熱問(wèn)題。實(shí)際上，目前美國(guó)、日本等國(guó)家的科學(xué)家，都已經(jīng)研制出運(yùn)算速度超過(guò)100GHz的超導(dǎo)集成電路。想想看，一臺(tái)或許用干電池就可以驅(qū)動(dòng)、但運(yùn)算速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快100倍的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，到底會(huì)帶來(lái)什么?

從銅到鐵

然而，銅基高溫超導(dǎo)材料的成本，往往幾十倍甚至上百倍于普通的銅;加上低溫制冷系統(tǒng)龐大的維護(hù)和運(yùn)行成本，使得高溫超導(dǎo)材料的普及仍然十分遙遠(yuǎn)。

如果能在銅氧化物之外，找到一種成本更低廉、性能更優(yōu)越，以及轉(zhuǎn)變溫度更高的新的高溫超導(dǎo)家族，無(wú)疑就有可能幫助人們擺脫這種尷尬局面。

2008年2月23日，日本東京工業(yè)大學(xué)前沿合作科學(xué)研究中心的細(xì)野秀雄教授宣布，一種以鐵為基礎(chǔ)的砷化合物，能夠在26K的溫度下顯示出超導(dǎo)特性。

之后，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、日本東京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工所、浙江大學(xué)、英國(guó)劍橋大學(xué)和牛津大學(xué)等研究小組，不斷發(fā)現(xiàn)新的鐵基超導(dǎo)材料，一個(gè)全新的鐵基超導(dǎo)體家族已經(jīng)逐步浮出水面。鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度，目前也被提高到了56K。

在中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、國(guó)家超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任聞海虎看來(lái)，與傳統(tǒng)銅基超導(dǎo)體相比，鐵基超導(dǎo)體無(wú)疑有著更為廣泛的應(yīng)用前景。

除了鐵的價(jià)格本身要比銅便宜，鐵基高溫超導(dǎo)材料擁有更高的上臨界磁場(chǎng)，這就意味著，可以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)。更重要的是，其相干長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，這意味著其超導(dǎo)性對(duì)于材料的顆粒間聯(lián)合的要求相對(duì)低一些，對(duì)于缺陷的容忍程度也更高。今后，也許一般的加工工藝，就可以滿(mǎn)足制備高溫超導(dǎo)材料的要求。倘能如此，其成本無(wú)疑會(huì)大幅下降。

目前鐵基超導(dǎo)體的最高轉(zhuǎn)變溫度，仍然無(wú)法與銅基超導(dǎo)體相比，但不少專(zhuān)家在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)都提醒說(shuō)，鐵基超導(dǎo)體的問(wèn)世只有14個(gè)月時(shí)間;隨著研究逐步深入，其轉(zhuǎn)變溫度仍有望進(jìn)一步提高，超過(guò)77K的液氮溫區(qū)并非奢望。

或許，正如今年1月29日出版的英國(guó)《自然》雜志的一篇評(píng)論所指出，鐵基超導(dǎo)體更大的意義，并不在本身的應(yīng)用。通過(guò)比較鐵基超導(dǎo)體與銅基超導(dǎo)體的異同之處，科學(xué)家就有可能徹底揭開(kāi)高溫超導(dǎo)的形成之謎。也就是說(shuō)，鐵基超導(dǎo)體，也許能成為一把解碼高溫超導(dǎo)的潛在“鑰匙”。

聞?；⒏嬖V《財(cái)經(jīng)》記者，無(wú)論是銅基還是鐵基高溫超導(dǎo)材料，均非常規(guī)超導(dǎo)體，即無(wú)法用傳統(tǒng)的BCS理論來(lái)解釋其形成機(jī)制。當(dāng)然，無(wú)論其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是應(yīng)用，兩者都有很大的不同:銅氧化物高溫超導(dǎo)體的母體材料是絕緣體，而鐵基高溫超導(dǎo)材料的母體材料是一種金屬。

浙江大學(xué)物理系教授袁輝球也對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者指出，雖然鐵基材料具有二維的層狀晶體，但是其超導(dǎo)特性是三維結(jié)構(gòu)的。也就是說(shuō)，鐵基高溫超導(dǎo)材料的上臨界磁場(chǎng)，不隨晶體結(jié)構(gòu)和外加磁場(chǎng)的方向改變而改變，這將大大拓寬其應(yīng)用前景。

常溫超導(dǎo)夢(mèng)

在過(guò)去的20多年，科學(xué)家們一直希望能找出令人信服的理論，來(lái)解釋高溫超導(dǎo)體的內(nèi)在機(jī)制。因?yàn)橹挥性诶碚撋先〉猛黄疲拍芨心康男缘厝ふ倚碌牟牧?，從而最終合成成本更低廉、轉(zhuǎn)變溫度更高的高溫超導(dǎo)體，甚至實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)夢(mèng)。

但遺憾的是，到目前為止，還沒(méi)有哪種高溫超導(dǎo)理論真正得到了廣泛的公認(rèn)。中國(guó)科學(xué)院物理所極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王楠林對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者坦言:“業(yè)界曾有一句詼諧的說(shuō)法——有多少超導(dǎo)理論研究者，就有多少高溫超導(dǎo)理論?！?/p>

在可以預(yù)期的將來(lái)，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)還是理論兩端，高溫超導(dǎo)研究還都將繼續(xù)向前。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、國(guó)家超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任聞?；?duì)《財(cái)經(jīng)》記者指出，現(xiàn)有的鐵基高溫超導(dǎo)材料中的砷，是一種有毒元素。所以，尋找一種可以代替砷的超導(dǎo)性材料，至少是下一步的熱點(diǎn)之一。

在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)，大多數(shù)科學(xué)家都對(duì)鐵基高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用表示樂(lè)觀。他們相信，不久的未來(lái)，這種鐵基高溫超導(dǎo)材料，會(huì)大大降低超導(dǎo)體和制冷系統(tǒng)的成本，從而得到更廣范圍的應(yīng)用。

日本東京工業(yè)大學(xué)前沿合作科學(xué)研究中心的細(xì)野秀雄教授在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)，則提醒人們應(yīng)以更大的尺度來(lái)關(guān)注高溫超導(dǎo)的未來(lái)。畢竟，人們不應(yīng)該忘記半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走過(guò)的軌跡:1947年，當(dāng)威廉·肖克利(William Shockley)及其同事在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管時(shí)，沒(méi)有人會(huì)想象得到半導(dǎo)體會(huì)擁有今天這樣無(wú)可替代的地位。

“盡管不可能有準(zhǔn)確的時(shí)間表，因?yàn)橹匾氖虑閹缀蹩偸峭蝗怀霈F(xiàn)，但我認(rèn)為，未來(lái)的20年，對(duì)于高溫超導(dǎo)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。”他補(bǔ)充說(shuō)。

很顯然，終點(diǎn)指向常溫超導(dǎo)的這場(chǎng)競(jìng)賽，或者說(shuō)革命，不僅僅關(guān)系到科學(xué)家的榮譽(yù)，或者可能的諾貝爾獎(jiǎng)，更將深刻地影響到人類(lèi)能源和環(huán)境問(wèn)題的根本出路。著名的超導(dǎo)專(zhuān)家馬梯阿斯(B. T. Matthias)曾經(jīng)斷言:“如果在常溫下，例如在27攝氏度左右實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，那么現(xiàn)代文明的一切技術(shù)都將發(fā)生變化。”

值得慶幸的是，經(jīng)過(guò)20多年的積累和磨煉之后，在最新一輪的鐵基高溫超導(dǎo)浪潮中，中國(guó)科學(xué)家仍然保持了前沿姿態(tài)。四名中國(guó)科學(xué)家就被邀請(qǐng)?jiān)诿绹?guó)物理學(xué)年會(huì)上介紹鐵基超導(dǎo)體方面的最新進(jìn)展。第一代高溫超導(dǎo)浪潮的見(jiàn)證者、中國(guó)科學(xué)院院士趙忠賢也頗為欣慰地對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者表示，最新的答案，將由“更為年輕的一代研究者給出”。

當(dāng)然，這場(chǎng)長(zhǎng)跑還遠(yuǎn)未到終點(diǎn)。畢竟，我們無(wú)論在理論創(chuàng)新、測(cè)試手段、專(zhuān)利保護(hù)還是在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化方面，都存在不少薄弱環(huán)節(jié)?！?/p>