我們的高級爐子，燒出的不是仙丹，但在未來可有大用途_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-11-29 09:31
2022年11月12日，“科普中國-我是科學家”第42期“未來進行時”現場，中國科學院物理研究所研究員羅會仟帶來演講《保福寺“燒爐工”的超導夢》【前往“返樸”觀看視頻】。
撰文 | 羅會仟
校對 | 尹寧流
以下為羅會仟演講實錄：
我是來自中國科學院物理研究所的羅會仟，來自北京中關村。明清時候，中關村是太監退休養老等死的地方。太監們為了保佑自己，就在那建了一個保福寺。現在，寺已經不在了，成了平房。平房旁邊建起了很多科研院所，其中就有中科院的不少研究所。我們物理研究所是其中一個，所以我號稱是保福寺的“燒爐工”。
我的研究方向是高温超導的中子散射研究，關心的是超導材料，所謂超導就是“超級”+“導電”。1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·昂尼斯發現，金屬汞的降温到4.2開爾文時，電阻會從有限值到突然消失，無法測量到了。他就把這個現象叫做“超導”。這個1911年的發現，在1913年就獲得了諾貝爾獎。
超導材料最重要的一個特點是，它的電阻是零，而且是絕對的零電阻。常規金屬材料，比如銅、鋁、金、銀、鉑等，這些都是導電特別好的金屬，它們的電阻率大概是10的-8次方歐姆米的這麼一個量級。而超導材料的電阻率至少低於10的-18次方歐姆米。如果能製造出一個特別小的超導環，裏面只通1安培的電流，如此小的電流也需要大概一千億年才能衰減到0。所以它的電阻可以認為是絕對的零。
電生磁、磁生電，電磁總是在一塊的，這是初中就學過的知識。因此除了零電阻現象之外，超導材料還會產生特殊的磁現象。1993年，德國的邁斯納發現它有一個特別神奇的磁性質，即當超導材料降低到足夠低的温度時，它會排斥外磁場，就像下圖的小黑塊，圖中的線條可以理解為磁通線，磁通線會繞着小黑塊（超導材料）走，也就是説，超導材料內部的磁感強度也是零，這個現象叫做完全抗磁性。
超導的第三個特點與熱力學相關。超導是一種熱力學相變，是一種宏觀的量子凝聚態。簡單來説，材料內部的電子在微觀層面會成對，形成一對對的電子對。這些電子對在低温情況下會抱團，凝聚到特別穩定的狀態，這個狀態就叫做量子凝聚態。假設電子像一個單翅膀的蜜蜂，一隻蜜蜂有左翅膀，另一隻有右翅膀，單只是飛不起來的。但是如果有左翅膀的蜜蜂和有右翅膀的蜜蜂抱成了一對，向同一個方向飛，就可以飛起來，形成沒有阻礙的電子對運動，這就是超導基本的微觀物理圖像。
有了超導的基本物理圖像後，可以實現很多神奇的現象。在電影《阿凡達》中有一座懸浮在天空中的大山。之所以可以懸浮是因為山裏貯藏着神奇的礦石，這些礦石就是室温超導礦石。這種懸浮就是超導磁懸浮，不需要科幻，在現實中就可以實現。
進一步説，如果做一個與高鐵軌道相似的磁軌道，我們就可以把超導的小塊，給懸浮起來。甚至也可以安裝一個機關，控制這些懸浮小塊的運動速度，來一場“超導追逐賽”。
超導量子驅動磁懸浮追逐賽 | 原力超導公司提供視頻【前往“返樸”觀看視頻】
超導材料並不罕見，事實上它們很常見。從1911年發現超導材料至今，一百多年的歷史，發現了一萬多種超導材料，元素週期表中有很多都是超導材料。而整個人類歷史上發現的無機化合物大概也就幾十萬種而已。我們更關心的是，這麼多不同種類的超導材料是否能為人類所用。不同材料的參數不一樣，所以我們希望超導材料的超導温度不要像金屬汞那麼低，希望它可以儘量高一點，這樣可以節省降温成本和難度，才能實現大面積應用。
但是很遺憾，目前已知的絕大部分超導體它的超導温度都是低於40開爾文的。40開爾文是常規超導温度的理論上限，但科學家仍孜孜不倦地探索，找了新超導材料來突破極限。目前找到兩個家族的超導材料，主要是銅氧化物和鐵基超導體，它們的超導温度是可以超過40開爾文的，因此被叫做高温超導材料。
“高温”到底有多高？其實也沒有很高，銅氧化物最高的超導温度記錄是135開爾文，相當於零下138攝氏度。鐵基超導塊體的最高超導温度是55開爾文，相當於零下200多攝氏度，都是非常非常低温的，而這就意味着，更低温的常規超導想要在現實世界中大規模應用，需要消耗很多能量去給超導材料降温，這將會是很大的成本。
因此，高温超導材料是非常重要的。
上世紀80年代，第一類高温超導材料被發現。發現者是瑞士IBM公司的兩個員工，1986年，他們發現銅氧化物的超導可以達到臨界温度35開爾文的高温。這兩個瑞士人也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。我們華人科學家在高温超導領域的研究也是非常厲害的。1987年，中國物理學家趙忠賢、華人物理學家朱經武和吳茂昆獨立地發現了在鑭鋇銅氧材料裏面換一種元素釔，它超導的温度可以達到93開爾文，突破了液氮温區。這意味着，這種材料利用液氮製冷就可以用，製冷的成本和難度都大幅降低。
2008年，中國在鐵基超導研究領域也做出了非常重要的貢獻，發現了很多鐵基高温超導材料，下圖中每一個小紅點都是我們中國人貢獻的。不僅如此，很多高温超導的物理方面的研究也是由中國人首次開展的。當時Science期刊也重點報道説，新超導體把中國物理學家推向了世界最前沿，這也是我親身經歷的。
研究高温超導很前沿，也很難。還好，有一個簡單的第一步，燒爐子。對於我們做超導材料研究的人來説，首先要學會“炒菜”，把各種元素混在一起，形成想要的化合物。為確保得到那個化合物，需要藉助不同的爐子，比如，箱式電爐、管式電爐、立式電爐，還有更復雜的叫做提拉爐、布里奇曼爐等。這些爐子五花八門，參數不一，不同的材料採用不同的爐子。
讀博五年，我有四年都在燒一個叫做移動光學浮區爐的爐子。這是一種高級的爐子，名字也挺複雜，需要用光加熱。移動光學浮區爐有一個反射鏡，反射鏡上方有一個燈泡，把光聚焦在容器裏原材料的某個點上，這一點的温度會變得很高，可以熔化原材料。再緩慢地移動，熔化的材料就會降温結晶。
這個過程看似簡單，卻很漫長。因為不同的超導材料的生長速度不同，有些晶體（即超導材料）需要整整一個月的時間才能長出來。這段時間，我們需要24小時監控它的狀態，因為需要隨時調整參數，這樣才能長出我們想要的樣子來。萬一哪個參數不對，晶體生長就有可能停止，更嚴重的情況，還有可能發生危險。這就是做超導研究的第一步，通過燒爐子獲得實驗樣品。
對於高温超導體來説，有兩個非常重要的相互作用，第一是電的相互作用，第二就是磁性相互作用。它們兩者合併在一起產生了超導這個現象。就像冰箱裏塞了一頭猛獁象和一頭大象，超導相當於兩個龐然大物腳下的一隻小老鼠。這個超導雖小，但卻很厲害，就像下圖中，憑小老鼠的力量就能將冰箱門關上一樣。我們研究的就是小老鼠關門這一個過程是怎樣實現的，也就是，在材料裏面，電和磁的相互作用是怎樣實現超導的。
我做的實驗叫做中子散射，用中子探測材料的磁性。中子散射實驗對樣品的需求量極大，如果常規實驗的需求在毫米或者毫克量級，那我的實驗需要的是釐米或克量級的樣品。我們曾使用2200片樣品來完成一次實驗，這也成為了一個世界紀錄。
中子不帶電，但是有磁性，既可以輕鬆地穿過實驗材料，又可以跟材料中的磁性相互作用，是材料磁性的超級“探針”。將中子打入實驗材料，可以看到材料內部原子的分佈和運動情況，也可以看到磁性的相互作用，就是我們的電子可以看到一個個小磁針，它在空間也是有一定的分佈的，我們可以看到這個結構，同時這些小磁針是有相互作用的，它們會一起跳舞，這個過程叫做自旋波或者叫自旋漲落。
中子散射能夠探測到這個過程，便可以直接告訴我們，在所研究的材料中，電和磁的相互作用是怎樣的。我的研究主要是針對鐵基高温超導體，我們都知道超導材料進入超導狀態以後，材料裏面的電子會發生配對，然後再凝聚，就像前面説到的蜜蜂一樣。在配對的過程中，電子的磁性也會有一些奇怪的行為，它會跟這些超導電子對發生共振，形成一些特定的磁性動態行為。我們對這些動態行為進行觀測，可以跟這些材料物性聯繫上來，便可以知道高温超導到底是怎麼發生的。
高温超導研究領域出現之前，絕大多數物理學研究認為電子間的相互作用很弱，可近似為單個電子運動。但現在我們發現越來越多的超導材料，它們的電子間相互作用力很強，所以我們必須考慮電子之間的相互作用很強的時候，會出現什麼樣的現象，這也涉及多體物理學。目前沒有相關的物理框架能夠很好地理解這個問題，所以實驗的每一個發現都可能是開創性的。我們希望能夠通過高温超導揭示多體相互作用的機制，這對於物理學來講是具有革命性的事情。
聽起來，好像只需要拿中子打一下實驗就完成了，但實際上做這些實驗很難。因為產生中子本身就是非常困難的事情，因此我們需要去全世界不同的中子源去完成實驗。
中子源是大科學裝置，它的一個特點就是大。我們看日本散裂中子源的一部分，這張圖裏面有一個站着的人，但如果不仔細看都發現不了。
我們中國也可以開展這樣的實驗了。如上圖，中國散裂中子源已在廣東東莞大朗鎮建成，並且已經開始運行了。非彈性中子散射的譜儀今年也將建成。將來有越來越多的中子散射實驗可以在我們中國開展。
超導材料已經廣泛應用在我們的生活中了，比如，我們去醫院做核磁共振，一定對設備上的那個大圓圈印象深刻，那個大圓圈裏面就是超導磁體。還有，在深圳第一高樓平安大廈，樓裏最後一公里的電線中就採用了超導材料。我們知道超導材料的一大優勢就是零電阻，用來做電線就可以大大減少輸電過程中的損耗。
未來，我們還可以使用超導材料建造人工可控的核聚變反應堆，也叫做人造小太陽，如此一來可以提供相當大的能源。當然，這是一個正在進行時的工作，科學家還在努力中。不僅如此，在未來，我們使用的計算機、甚至手機，都可能會被超導量子計算機、手機所替代，其運行速度將會實現N個量級的提升。
我們還可以進一步發揮想象，如果超導材料足夠理想的話，我們甚至可能可以造出一個特別厲害的發動機，這個發動機幾乎是永久續航的。這樣一來，將這個發動機安裝在核潛艇或宇宙飛船上，下海或馳騁太空的過程中就不需要返航蓄能了，可以一往無前地探索海之深、天之高，甚至尋找我們人類的下一個家園。
謝謝大家。
本文經授權轉載自微信公眾號“我是科學家iScientist ”，編輯：小販兒、楊喜九。
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