室溫超導是超導研究的終極夢想嗎？

電影《阿凡達》不僅僅給我們帶來了3D的震撼視覺享受，也為我們構想出了一個奇幻美麗的潘多拉世界。其中最令人難忘的場景之一是一座座懸浮在云端的哈利路亞山。這些山爬滿粗壯的藤蔓、壁掛飛天的瀑布、容納神秘的大鳥，并且時常在空中移動，是何等地神奇！這其實是一種超導磁懸浮現象，電影中這么給出了解釋：這些山體含有大量的超導礦石，在神秘母樹區域的強大磁場作用下，這些超導礦山得以懸浮在空中。

在地球這個現實世界中，懸浮現象實際上在身邊比比皆是。如翱翔在天際的飛鳥和暢游在水中的魚蝦，它們利用排開液體或者氣體形成浮力與自身重力相平衡而可以懸浮。氣墊船、鷂式飛機、直升飛機、火箭推進器等向下噴出氣體也可以懸浮在空中，布滿靜電的氣球可以懸浮在電容器中，處于超導態的超導體可以把小磁鐵懸浮起來，用超聲波也可以懸浮起液體甚至小昆蟲。即我們可以用氣、聲、磁、電磁等外界作用力抵御物體的重力，從而實現懸浮現象。用光照射物體產生所謂“光壓”也可以實現光懸浮，太陽帆飛船就是設想中的一種利用光壓進行遠距離太空航行的飛行器。對于微觀世界的原子，如果用六束激光從不同方向將其“捕獲”，可以使得它大大降低熱振動而“冷靜”下來，似乎它是“悠哉”地享受懸浮世界的美妙。然而，要實現哈利路亞山那么壯觀的懸浮山景象，似乎超導磁懸浮是首選的方法，因為超導體和哈利路亞山一樣——也是如此地神奇（也許卡梅隆也是這么想的？）。

超導體的神奇之處在于，一旦進入超導態，超導體將從電、磁、熱三個方面獨立表現出一些奇妙特性。超導態下超導體是沒有電阻的，即處于零電阻狀態，如果你做一個超導環路并感應出電流，那么它可以持續不斷地保持下去；超導體一旦進入超導態，那么它會把體內的磁通線排出去，即超導體內磁場為零，我們稱之為完全抗磁性；超導體從正常態轉變到超導態時，其電子比熱會出現一個躍變，即電子整體凝聚到了一個低能態。超導磁懸浮利用的原理正是超導體的完全抗磁性：處于磁場中的超導體一旦進入超導態，它將會排出體內的磁通線，即對磁場產生一個作用力，而磁場對超導體也存在反作用力，永磁體附近磁場的大小約與到磁體的距離立方成反比，所以越靠近磁體將大大增加超導體受到的作用力，因此在一定高度就可以達到與重力的平衡，也就實現了磁懸浮。乍一看超導磁懸浮似乎很容易實現，事實上這里有個重要的前提，那就是超導體必須處于超導態，而超導態往往需要在低于某個溫度下才能實現，這個溫度稱之為超導臨界溫度（Tc）。超導臨界溫度有多低？第一個發現的超導體是金屬汞，它的Tc只有4.2K，也就是-269℃，目前最高的超導臨界溫度記錄是約164K，也是-109℃，而人類生活的環境（室溫）一般在300K左右，即0~40℃。和人類生活的環境相比，超導臨界溫度還是太低太低，這也就是超導體應用的最大瓶頸。《阿凡達》里的潘多拉星球看起來和地球環境溫度差不多，不過大氣的氣氛不同，而在自然環境中懸浮的哈利路亞山則意味著室溫超導體的大量存在。地球上已知的超導體都因為臨界溫度太低而難以大規模應用，所有人類才跑到外星球瘋狂地掠奪室溫超導礦石而不顧破壞那威人的生存環境，當然這是科幻。生活在我們這個藍色地球上的人類自從1911年發現超導現象以來，就在不斷地尋找和研究超導體，一方面試圖研究清楚其超導機理，另一方面則試圖不斷地提高臨界溫度并探索其可能的應用，而室溫超導可謂是超導材料探索的終極夢想。

1908年，荷蘭萊頓實驗室的K.Onnes借助范德瓦爾斯模型原理把最后一個最難液化的氣體——氦氣給液化，從而得到了當時最低的溫度4.2K。1911年當他測量金屬汞在如此低的溫度下電阻時，驚奇地發現其電阻降到了儀器可測量精度的最小值以下，即可認為電阻為零，這就是超導現象的發現。1933年德國物理學家W.Meissner發現了超導體的完全抗磁性又稱Meissner效應。零電阻和Meissner效應是判斷檢驗超導體的兩種獨立特征。在此后的半個世紀里，人們又陸續發現元素周期表中大部分元素單質都可以超導，許多金屬合金在低溫下也具有超導電性，但Tc都要低于23.2K。需要說明的是，所有的超導體一般分為兩類，第一類超導體是零電阻和Meissner態同時存在并能同時被外加磁場破壞的；第二類超導體則存在處于超導態和正常態之間的混合態，即Meissner態在很低磁場就被破壞，磁通線可以部分穿透進入超導體并按照一定的規則排列，而此時仍有部分電子處于超導態也即還有零電阻效應，直到更高的磁場下才能破壞零電阻效應；大部分超導體都屬于第二類超導體，處于混合態的超導體仍然具有部分抗磁能力，也可以實現磁懸浮。1957年，J. Bardeen、L. N. Cooper和J. R. Schrieffer成功建立了常規金屬合金超導體的微觀理論——BCS理論。BCS理論認為當金屬材料處于低溫狀態時，材料中能量較高的巡游電子將借助周期排列的原子振動交換的能量而兩兩配成電子對（又稱Cooper對），這些電子對將集體關聯共同凝聚到一個低能態——超導態，要破壞電子對就必須付出足夠的能量，即超導態和正常態之間存在一個能隙，因此超導態在低外磁場及低溫下是穩定存在的有序量子態。配對以后的電子對在運動中各自受到的散射將相互抵消，相當于其在行進中不受到阻礙，即實現了零電阻狀態。同時材料中所有電子對之間的集體關聯效應能夠把外磁場屏蔽，即實現了完全抗磁性。此外，隨著超導體承載的電流密度增加，電子對將可能獲得超過能隙大小的能量并被拆散，超導態也將隨之破壞，我們把材料可承載的最大電流密度稱之為臨界電流密度。BCS理論的關鍵在于電子配對且存在能隙，但能隙大小實際上和電子分布結構以及原子振動能量密切相關。要實現高Tc就必須借助更高能量的原子振動方式，而若原子振動過強那么材料的微觀結構就會失穩而塌縮。因此人們預言在BCS理論框架下，Tc不可能超過30K。而確實在隨后的許多年里，雖然發現了不少新的超導體，但都沒有打破這一預言，這讓許多人失去了對超導研究的興趣和希望。

直到1986年，似乎山窮水盡的超導材料研究才出現柳暗花明又一村，Bednorz和Müller在以絕緣體為母體的銅氧化物材料La2BaCu4Ox中發現了超導電性，其Tc高達35K，打破了BCS理論的預言上限。人們緊接其后在Y-Ba-Cu-O、Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O、Hg-Ba-Ca-Cu-O等諸多銅氧化物材料中發現了超導電性，并在短短的十年時間把Tc記錄提高了100K以上，達到最高的164K，這類超導體于是被稱為銅氧化物高溫超導體。高溫超導的發現過程，諸多華人和中國科學家都做出了重要貢獻，如朱經武、吳茂昆、趙忠賢、盛正直等。如此激動人心的發現引起超導界乃至整個凝聚態物理領域的一輪前所未有的壯大研究熱潮。當然，除了銅氧化物超導體外，人們還在其他許多材料中發現了超導電性，諸如重費米子超導體、超晶格超導體、有機超導體、磁性超導體、多帶超導體等，在其他金屬氧化物如鈦氧化物、鈮氧化物、釕氧化物、鈷氧化物等材料中同樣發現了超導電性，只是這些超導體的Tc不如銅氧化物高，但是在這些超導體中發現豐富而奇異的物理性質同樣引起許多科學家的興趣。銅氧化物高溫超導體發現初期，人們對它的應用前景充滿厚望。尤其是液氮溫區以上的高溫超導體，因為這就可以不再依靠昂貴的液氦提供低溫，大大降低了使用成本而使廣泛推廣成為可能。經過20多年的努力，銅氧化物高溫超導材料的質量和性能也不斷提高，而為研究其物理性質的諸多實驗手段本身也取得了顯著的提升并觀察到了許多新奇的物理現象。令人頗感失望的是，人們發現銅氧化物高溫超導體很難得以大規模應用。因為這類材料屬于極端第二類超導體，混合態下的物理性質非常復雜多變，而且臨界電流密度較小，不適合用于承載大電流，而從力學角度來看作為陶瓷材料的銅氧化物在柔韌性和延展性上都遠遠不如金屬材料，在材料機械加工等許多方面存在嚴重的困難。盡管應用銅氧化物高溫超導體在高敏感磁信號探測和微波通訊等方面取得了重大的進展，但作為超導最直接的應用——超導輸電線、超導強磁體和超導磁懸浮等方面，銅氧化物材料仍然不是首選。當然，科學家們并不僅僅滿足于新超導材料的應用價值，對于銅氧化物上呈現的各種新奇的物理性質同樣引起了人們的強烈關注，而對這些問題的解答過程發起了對現有凝聚態物理基礎理論體系的挑戰。和BCS理論處理的金屬合金超導問題不同，銅氧化物材料中的超導問題具有許多獨特性。它的晶體結構具有典型的準二維特性，導電層就主要發生在Cu-O平面上，超導態下載流子雖然還是配對的電子對，但原子振動提供的能量尺度不再是電子配對的來源，電子配對的能隙在空間上也不再是各向同性的而是各項異性的，在某些方向存在能隙為零的節點，一些材料甚至遠在Tc以上就已經打開了一個能隙，而正常態下雖然仍然具有金屬導電性卻和傳統的金屬行為完全不同。總之，人們對銅氧化物研究的越多越深入，越發感到困惑不解。于是，一些科學家建議回到銅氧化物超導體母體來認識問題的本質。銅氧化物母體是一個按照傳統意義上理解本應該是金屬的材料，但是它反映的確確實實是一個絕緣體的行為——電子在其中被強烈地局域化了，只能間接地耗費大量能量來進行跳躍運動，因而隨溫度降低電阻值將急劇升高甚至發散到無窮大。研究表明，這是因為材料中Cu位置上的電子和電子之間存在很強的關聯效應，這讓處于同一個位置上的兩個電子之間存在非常強的庫侖排斥能，這讓它很難進行躍遷。而通過往母體中摻雜空穴或者電子（這是逐漸進入超導態的條件，摻雜后將不再是絕緣體），就會使得Cu位置上鄰近的O位置形成空穴或者電子，這將削弱電子和電子之間的關聯效應，這樣Cu位置上的電子就可以輕松地間接借助O位置而向前運動了。人們同時還關注到，銅氧化物母體實際上是一個反鐵磁絕緣體，也就是說Cu位置上相鄰的電子的磁矩排列是大小相同方向相反的，它們之間存在所謂的反鐵磁關聯效應。而摻雜的效應也使得反鐵磁關聯被削弱，而最終超導態得以出現，并只留下一些反鐵磁的漲落效應。不少理論和實驗暗示，銅氧化物超導體中殘存的反鐵磁漲落將是電子配對的主要來源，至于其他一些新奇的性質可能與材料結構的復雜性以及其他雜質或者缺陷效應等相關。這類解釋的基本原因之一在于反鐵磁相互作用的能量尺度要遠遠大于原子振動產生的能量，如果以反鐵磁背景漲落相互作用提供電子配對媒介，那么超導臨界溫度完全可以達到100~200K。為了驗證對銅氧化物超導問題的理解和認識并進一步推動超導應用的前進，人們寄希望于找到其他可以和銅氧化物的Tc相比擬甚至更高Tc的超導材料。

超導研究之路總是充滿著驚喜，2006年5月，日本的細野秀雄研究小組在探索新型透明導電材料中，偶然發現LaOFeP 這類氧化物中可以出現Tc=5K左右的超導電性。2008年1月，該研究小組成功在F摻雜的LaOFeAs材料中發現了Tc高達26K的超導電性，一下子吸引了諸多超導研究專家的注意力。中國科學家在得知此消息的第一時間內對該系列超導體進行了詳細地探索和研究，在短短的數月時間，不僅找到了許多新體系的超導體而且還把Tc翻了一番，達到了56K。這類超導體被稱為鐵基超導體，是繼銅氧化物高溫超導體之后發現的第二個高溫超導家族。人們用通常被認為會破壞超導電性的鐵磁金屬做成的化合物里，得到了如此意外的驚喜。通過近兩年來超導領域科學家的努力（當然包括諸多華人和中國科學家的杰出貢獻），人們發現鐵基超導材料和銅氧化物存在許多類似之處。如鐵基材料結構也是以層狀結構為基礎，導電一般都發生在Fe-As層上，最有意思的是其母體也是反鐵磁體！這使得人們找到了研究銅氧化物超導體的一個很好的參照物，通過兩者的對比研究，也許高溫超導機理會一下子變得清晰許多。更有趣的是，鐵基超導體其Fe-As層并不如銅氧化物中Cu-O層那么平坦，因此改變晶體結構和摻雜不同載流子濃度同樣可以改變其Tc而呈現許多豐富的物理現象。另外，現在發現的鐵基超導體母體已有六七種，而大部分母體中任何一個元素都可以被其同族或者類似電子結構的元素替代，甚至還可以在某些原子位置上換成一個子結構形成更為復雜的鐵基超導材料，這就使得鐵基超導家族要比銅氧化物家族大得多。因此，我們在銅氧化物看到的許多令人困惑的物理現象或許都有可能在鐵基材料中找到相應的參照，這種相互印證的研究可以對兩者的機理問題認識更為深入。已有的研究表明，鐵基超導體的存在幾類不同的空穴和電子載流子，它們之間可能通過交換反鐵磁漲落相互作用而實現配對，即反鐵磁漲落在鐵基超導中仍然扮演著極其重要的角色。

銅氧化物和鐵基超導體的相繼發現使得人們對超導材料的研究重新點燃了希望。如何尋找更高Tc的超導體？銅氧化物和鐵基超導體的研究或許給我們提供了一個可能的線索：電子或許可以通過交換反鐵磁漲落相互作用配對而實現較高臨界溫度的超導電性，只要反鐵磁漲落具有足夠強的能量尺度，那么就有獲得足夠高Tc的可能性！當然，要實現室溫超導的終極夢想，則勢必需要相當強的反鐵磁漲落效應，而即使就在目前已知的無數個材料中尋找到反鐵磁漲落很強的幾個，還是有希望的。退一步而言，固體材料中比反鐵磁相互作用強度還要強的多的磁相互作用也大有所在，而除磁相互作用之外更有其他不少強的相互作用，也許有一天我們會發現電子能夠借助這些相互作用而配對，從而獲得更高的超導臨界溫度，那時我們離室溫超導的夢想就不遠了。還有一點令國人值得驕傲的是，在銅氧化物和鐵基超導的研究進程中，華人和中國科學家的貢獻已經越來越明顯和重要，他們的研究工作也不斷受到國際同行的贊譽和尊敬。超導研究歷史上已經有5人獲得諾貝爾物理學獎，我們完全有理由相信，未來的超導研究之路上萬眾矚目的焦點之一也許就是中國人。只要我們不斷努力前行，現實中的哈利路亞山——室溫超導體也許不再是夢想。到那時你或許可以用超導磁懸浮技術在云彩之中練瑜伽或在懸空的“白云”沙發上酣睡，那是何等地美妙和愜意！

發表于 2014-07-04 00:00
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