物理学家狩猎可以彻底改变世界能量系统的室温超导体

Pegor Aynajian, Associate Professor of Physics, Binghamton University, State University of New York

Sat, July 2, 2022 at 11:03 PM

南加州的风力涡轮机和太阳能电池板。4kodiak/E+ via Getty Images

废热围绕着你。在小范围内，如果你的手机或笔记本电脑感觉热，那是因为为装置供电的一些能量正在被转化为不需要的热。

在一个更大的范围内，电网如高功率线路，在送点过程中损失超过5%的能量。在2018年发电量超过US0 10亿美元的电力行业中，这是一笔巨大量钱的浪费。

在全球范围内，谷歌、微软、脸书和其他公司的计算机系统需要大量的能量来为大型云服务器和数据中心提供动力。甚至更多的能量来为水和空气冷却系统供电，以抵消这些计算机产生的热。

这些浪费的热从哪里来的呢？电子。这些一个原子的基本粒子四处移动并与其它电子和原子相互作用。因为它们有一个电荷，随它们移动穿过一种物质------就像金属一样，这能容易地导电------它们散射掉其它原子并产生热。

超导体是通过允许能量有效的穿过它们不用产生不需要的热来解决这个问题的物质。它们有巨大的潜力和许多成本效益的应用。它们操作磁悬浮列车、为核磁共振成像机器产生磁场，最近已被用于建造量子计算机，尽管一台全操作的还不存在。

但当到其他实际应用时超导体有一个基本问题：它们在超低温下工作。没有室温超导体。这个“室温”部分是科学家一个多世纪以来一直工作在上的。数十亿美元已经资助了来解决这个问题。包括我在内的世界各地的科学家都正在试图了解超导体的物理学以及如何增强超导体。

了解机理

一个超导体是一种物质例如一个铝或铅一样的纯金属，当冷却到超低温时允许电流以绝对零电阻移动通过它。一种物质如何在微观层面上变成一个超导体并不是一个简单的问题。科学界花了45年的时间才在1956年理解并制定了一个成功的超导理论。

在物理学家研究了一个超导的机制理解的同时，化学家们混合了不同的元素如稀有金属铌和锡并尝试了由其他实验指导的配方来发现新的和更强的超导体。有进展，但大多是渐进的。

简单地说，当两个电子在低温下一起结合时超导性发生。它们形成超导体的基石库珀对。基本的物理和化学告诉我们电子相互排斥。甚至对一个潜在的超导体如铅当它在高于一定温度时这保持的。

然而，当温度下降到某一点时，电子变得更加适合配对起来。不是一个电子反对另一个电子，而是一种“胶”浮现来将它们把持在一起。

保持物质冷却

1911年发现的第一种超导体是汞（Hg），汞是老式温度计的基本元素。为了使汞变成一个超导体，它不得不被冷却到超低温。卡莫林福昂涅斯是第一位通过压缩和液化氦气弄清楚了如何做到这一点的科学家。在此过程中，一旦氦气变成一种液体，温度就会下降到-452华氏度。

当昂涅斯对汞进行实验时，他发现了当它被放置在一个液氦容器内并冷却到非常低的温度时，它的电阻即材料中电流的反对突然的下降到零欧姆，欧姆是一种描述电阻的测量单位。不是接近零，而是完全的零。无电阻，无热浪费。

这意味着一个电流一旦产生就会连续流动没有任何东西来停止它，至少在实验室里。许多超导材料很快被发现，但实际应用是另一回事。

这些超导体共享一个共同的问题------它们需要被冷却下来。将材料冷却到它的超导状态所需的能量对日常应用太昂贵了。到20世纪80年代初，对超导体的研究已经几乎已经接近尾声。

一个令人惊讶的发现

在一个戏剧性的事件转折中，1987年在瑞士苏黎世的IBM发现了一种新的超导材料。在几个月内，在不那么极端的温度下运行的超导体全球上被合成。这种材料是一种陶瓷。

这些新的陶瓷超导体被铜和氧与镧、钡和铋等其他元素混合而成。它们与物理学家认为他们所知道的关于制造超导体的一切相矛盾。研究人员一直在寻找非常好的导体，而这些陶瓷几乎是绝缘体，这意味着几乎没有电流能流过。磁性摧毁了传统的超导体，但这些超导体本身就是磁铁。

科学家们正在寻找电子可以自由移动的材料，但在这些材料中电子被锁定和约束。IBM的科学家阿列克斯缪勒和焦格别德诺尔兹实际上已经发现了一种新型的超导体。这些是高温超导体。而它们由它们自己的规则玩。

难以捉摸的解决方案

科学家现在有一个新的挑战。在高温超导体被发现三十年后，我们仍然挣扎来理解它们在微观层面上是如何工作的。世界各地的大学和研究实验室每天都在进行创造性实验。

在我的实验室里，我们已经建造了一种称为扫描隧道显微镜的显微镜帮助我们的研究团队“看” 在材料表面的电子。这允许我们来了解电子如何在原子尺度上结合并形成超导性。

我们在研究中已经走了很长一段路，现在知道电子也在这些高温超导体中配对起来。在回答高温超导体怎样工作中有很大的价值和实用性，因为这可能是实现室温超导的途径。如果我们成功地制造出一种室温超导体，那么我们就能解决浪费热将能量从发电厂传输到城市所花费的数十亿美元。

更值得注意的是，在世界各地广阔的空旷沙漠中收集的太阳能可以被在没有任何能量损失的情况下存储和传输，这可以为城市供电并急剧的减少温室气体排放。潜力是难以想象的。为室温超导体找到这种胶是下一个价值百万美元的问题。

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本文转载自会话（The Conversation），会话是一个致力于分享学术专家想法的非营利性新闻网站。

由宾汉姆顿大学、纽约州立大学 Pegor Aynajian 撰写

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Pegor Aynajian获得了美国国家科学基金会（NSF）CAREER的资助，获奖号为DMR-1654482.