科學家首次成功地製成室温下陶瓷超導體

超導性是一種神奇的性質：超導體可以傳輸電流而不會產生任何電阻，於是也就不會有電力損耗。在某些尖端領域，這種技術已經開始得到應用，比如在核自旋斷層設備或粒子加速器中充當磁體。然而，要想獲得超導性，超導材料必須被冷卻到非常低的温度才可以。“室温超導”之謎長期困擾着科學家。但就在去年，一項實驗在這方面取得了突破，儘管只維持了數百萬分之幾微秒，但科學家依舊首次成功地製成室温下陶瓷超導體。12月3日，德國馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所在其官方網站報道了這一消息。

室温超導材料有着巨大的市場利用價值，這種材料可用於磁懸浮高速列車、高效的核磁共振攝影、無損耗的發電機、變壓器和輸電線、功能強大的超級計算機等等。如果便宜且容易獲得的材料真能在室温下實現超導，將引發一次新的現代工業革命。

科學家首次成功地製成室温下陶瓷超導體

據新浪科技11日報道，藉助短波紅外激光脈衝的幫助，研究人員首次成功地製成室温下的陶瓷超導體——儘管其維持的時間僅有數百萬分之幾微秒。一個由德國馬克斯普朗克物質結構與動力學研究所參與的國際小組近期在《自然》雜誌上報道了他們的此項工作。研究組相信這一現象背後的原理是：激光脈衝導致晶體晶格中的單個原子發生短暫變動，從而導致超導性的產生。這項成果將有望幫助現有低温超導材料實現在高得多的温度條件下實現超導性，因此擁有廣泛應用前景。

起初，科學家們發現少數幾類金屬在温度僅稍高於絕對零度的超低温環境下顯示超導性。之後到了20世紀80年代，物理學家們發現了一種新的陶瓷材料，其可以在零下200攝氏度左右的環境下實現超導性，也因此被稱作“高温超導體”。這些陶瓷材料其中有一種是釔鋇銅氧化物(YBCO)。這是一種最有前景的超導材料，未來或可應用於超導電纜，馬達以及發電機等設備。

釔鋇銅氧化物的晶體具有一種非常特殊的結構：雙層氧化銅分子層與一層稍厚一些的鋇、銅、氧原子中間層交互疊加構成晶體。這種材料的超導性便來自其中的雙層氧化銅分子層。電子可以在這裏結合形成所謂“庫珀對”(Cooperpairs)。這種電子對可以在不同層之間穿越，這就意味着這些電子對能像鬼魂一樣穿越層面不受阻擋——這是一種典型的量子現象。然而這種晶體結構也只有在低於“臨界温度”的情況下才會顯示超導性，因為只有在這樣的條件下電子才會形成庫珀對，並且不僅僅在雙層氧化銅分子層內穿越，而且還能穿越更厚的中間層。而當温度高於臨界温度時，這種電子的庫珀對便消失了，這種材料也就變回一種導電性很差的金屬合成材料。

（觀察者網注：這種材料的超導性來自其中的雙層氧化銅分子層，模糊區域是電子要穿越的中間層，在紅外脈衝激光照射下，一些原子開始發生振動，晶體結構在室温下短暫變化。圖中橙色的是銅原子，紅色的是氧原子。）

有助研發新型超導材料

2013年，一個馬普研究所參與的國際研究組發現，當使用紅外激光脈衝照射釔鋇銅氧化物材料時，它會在室温條件下短暫地顯示出超導性。很顯然激光脈衝改變了這種材料晶體結構中雙層氧化銅分子的耦合性。然而其中更確切的原因仍然不甚明瞭——直到研究組有機會前往美國，利用斯坦福大學的直線加速器相干光源(LCLS)——世界上最強大的X射線激光進行分析之後才最終揭開謎底。德國馬普研究所物理學家羅曼·曼可威斯基(RomanMankowsky)是這篇《自然》雜誌論文的第一作者。他説：“首先，我們再次向材料照射紅外脈衝激光，我們看到其中一些原子開始發生振動。很短時間之後，我們緊接着使用短X射線脈衝來測量被激發的晶體精確的晶格結構。”

這樣做得到的結果是發現，紅外脈衝不僅僅激發並導致原子振動，實際上還讓原子發生了遷移，離開了原先的位置。這就在短時間內造成氧化銅雙分子層厚度增加了2個皮米(1皮米=1萬億分之一米)，或一個原子直徑的百分之一左右，而它們之間中間層的厚度則相應發生減薄。這一變化增強了兩個雙層之間的耦合效應，從而導致晶體結構在室温下短暫地顯示出超導性。

而在另一方面，這項最新研究成果也幫助改進了目前還尚不完善的高温超導體理論。曼可威斯基表示：“這項成果將幫助材料科學家們研發具有更高臨界温度的超導材料。並最終實現可在室温下應用，完全無需冷卻的超導材料的夢想。”到目前為止，超導磁體，馬達或電機在應用時都必須使用液氮或液氦進行冷卻。如果這種複雜的冷卻過程不再需要，這將意味着這一領域的一項關鍵性技術突破。