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室温超导出现突破性进展

供稿人:卞志昕  供稿时间:2014-9-29   关键字:室温超导  

2013年《环球科学》杂志邀请科学家经过数轮讨论,评选出了2012年最值得铭记、对人类社会产生影响最为深远的十大新闻,其中之一就是有关室温超导的。评审专家认为该发现是超导领域的突破性发现,或将为常温超导研究指明道路。

2012年9月,德国莱比锡大学的研究人员宣布了一项进展:石墨颗粒能够在室温下表现出超导性。研究人员帕布罗•艾斯奎纳兹(Pablo Esquinazi)和其它物理学家最先于2012年发表在arXiv网站上的一篇文章中探讨了石墨的超导性。这些石墨材料中的一部分表现出约瑟夫逊效应,也就是在隔绝两块超导体之间的障碍中形成电子隧道的现象。这一效应说明这些石墨样本中包含具有超导特性的区域。

艾斯奎纳兹认为,基于这项工作,以及在过去3年间所做的工作,其坚信这其中蕴藏着超导区域的可能性是存在的。为了验证这种想法,研究人员用水处理石墨粉:他们将其与水混合23小时,将其取出过滤,并在100摄氏度环境中干燥。随后他们将这一经过水处理的石墨粉样本在改变的磁场环境中进行实验,观察其反应。

石墨和其它一些材料在此之前便代表着室温超导研究的希望。在过去也曾有一些文章报告在经过硫或氧处理后的石墨粉中检测到微弱的,间接的超导信号。但是没有任何人,包括报告这些现象的科学家们,能够真正制造出一个室温环境下的超导体——一种符合教科书定义的真正的超导体——可以实现零电阻导电的特性。

然而超导体还有其它一些特征:一种材料当其温度低于某一阈值,并经历某种相变时一般就会显示出超导性。而约瑟夫逊效应也是超导性的另一种信号,除此之外还有麦士纳效应,一般也被称为“反磁性”。当暴露于外部磁场中时,超导体会推开这一磁场,从而阻止该磁场通过材料体内部。而超导体内部的磁场会比外部磁场更弱一些。这一特性让超导体得以悬浮半空,同时在外部磁场中形成可探测到的变化,同时也提供了一种对于超导性的可探测性信号。

物理学家们此次正是利用了这一特点:他们将经过处理的石墨粉置于变化中的外部磁场,并测量其反磁性特征。结果显示样本的一小部分确实显示出超导性特征,但是这样的比例非常小,大约仅占0.01%。

这样的量实在太少,很难进行进一步的研究。然而这一实验中给出了这样一种理念,那就是任何材料都可能在室温下实现超导,尤其是那些便宜而又容易获取的材料,如石墨和水。这一点具有重要意义。

研究人员目前还尚未能展示出这些样本具备了零电阻的特性,转变温度,甚至是约瑟夫逊效应。这些石墨粉样本所展示出的目前还仅仅是轻微的反磁性而已。在证实石墨粉材料具有超导性之前,还需要进行大量的确认工作。

迄今为止,超导体只有在温度低于-110℃才能够发挥作用。如果像石墨粉这样便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导,将引发一次新的现代工业革命。


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