室溫超導：從瞬態到穩態還有多遠

　　 還記得電影《阿凡達》中一座座懸浮在云端的哈利路亞山嗎？那一座座大山之所以能夠懸空，是因為山中蘊藏著一種神奇的室溫超導礦石，它借助母樹附近的強大磁場“托起”了哈利路亞山。

　　其實，自1911年發現無阻抗電力傳導理論以來，“室溫超導”之謎就一直困擾著科學家。

　　不過，近日傳來了一個好消息：借助短波紅外激光脈沖的幫助，德國馬普研究所的研究人員成功制成室溫下的陶瓷超導體——盡管其維持的時間僅有百萬分之幾微秒。

　　仍有待證實的瞬態

　　德國科學家的這項工作，引起了國際物理學界的廣泛關注。

　　有外國學者稱，這項成果將幫助材料科學家研發具有更高臨界溫度的超導材料，并最終實現可在室溫下應用、完全無需冷卻的超導材料的夢想。

　　因為直到現在，超導體都必須用液氮或液氦冷卻到遠低于零度的溫度。如果復雜的冷卻設施不再需要，那超導技術就有了投入日常應用的可能。

　　只是，那百萬分之幾微秒的超導現象是怎么觀察到的呢？不少物理學家對此提出了質疑。

　　中科院物理研究所研究員丁洪在接受《中國科學報》采訪時直言“覺得證據不足”。“根據他們在《自然》雜志和以前發表的文章，只是說觀察到的現象可以用瞬態室溫超導去解釋，但也可能有其他解釋，這就需要更多的證據支持。”

　　該論文第一作者、德國馬普研究所物理學家羅曼·曼科夫斯基表示，他們使用紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物材料時，它會在室溫條件下短暫地顯示出超導性。“激光脈沖改變了材料晶體結構中雙層氧化銅分子的耦合性。紅外脈沖不僅激發了原子振蕩，而且改變了它們在晶體中的位置。這樣的變化增加了雙層之間的耦合程度，使得這種晶體在幾皮秒內變成了室溫超導體。”

　　但對于“瞬態”發生的現象，可測量的手段非常少。“沒法直接測電阻和磁化率，只能通過光譜學檢驗，但光譜學特性能否確切認定是超導，這個還有爭議。”丁洪說。

　　英國伯明翰大學的凝聚態物理學家泰德也認為，這一結果是試探性的，有待進一步審查。

　　可能帶來一場革命

　　“如果最終被證實真是室溫超導，那么意義很大，盡管只維持了幾個皮秒。因為給人們一個希望，可能在其他材料實現更長時間的室溫超導或獲得穩態。”在丁洪看來，室溫超導將引發人類社會的巨大革命。

　　超導被譽為20世紀最偉大的科學發現之一，指的是某些材料在溫度降低到某一溫度以下時，電阻突然消失并且不能被磁場穿過的現象。

　　正是因為超導的特殊性，世界上很多物理學家都在為尋找更高溫度下的超導材料而工作。1911年，荷蘭科學家發現水銀在極低溫條件下的超導性，開辟了科學研究的新領域；1986年，德國科學家與瑞士科學家發現銅氧化物的超導性，形成了第一個高溫超導體家族；時隔20年后，日本科學家發現鐵砷化合物的超導性，中國科學家又發現一系列高于傳統超導體極限臨界溫度的鐵基超導體，使之成為第二個高溫超導體家族。

　　物理學家相信，尋找到更高超導臨界溫度的超導體，乃至室溫（300K或25℃左右）下的超導材料，勢必將對人類未來的生活帶來翻天覆地的革新。“因為它將大大節約電力傳輸和使用過程中的損耗、可以提供持續穩定的強磁場、實現安全快捷的高速磁懸浮運輸等等。”丁洪說。

　　據預測，2020年與超導有關的產值可以達到2000億美元。“現在看來達到這個預期還有很大距離，關鍵在于成本和需求。”中科院院士趙忠賢表示，解決這兩個問題。一是要發展和改進現有實用超導材料的制備工藝，提高制冷系統的性能以實現高可靠性和低成本的目標。二是開拓和培育市場。從長遠的角度來看，探索新的更適于應用的超導材料是十分必要的。

　　追尋從未間斷

　　事實上，科學家從未停止過對更高轉變溫度超導體的探索，陸續發現了許多超導新家族。

　　比如，最近《自然》雜志上的另一篇報道，令固體物理學界感到比瞬態室溫超導“更加激動人心”。研究人員發現，在200萬大氣壓的高壓下，單純的硫化氫分子在溫度達到190K（-83℃左右）時可以變成超導體。而今年早些時候，吉林大學崔田教授領導的研究團隊就從理論上預言了一種非常類似的材料可在200K實現超導。

　　“盡管溫度看起來并不太高，且在高壓下實現，可它依然打破了此前超導體164K的溫度紀錄，即汞氧化鋇鈣銅所創的紀錄。”丁洪認為，若證實的話，這將開辟一個新的方向，是諾貝爾獎級的一項工作。

　　無獨有偶，近期《自然—材料》報道的生長于鈦酸鍶襯底上的鐵硒單層薄膜的零電阻轉變溫度高達100K以上，更加激起了科學家們的濃厚興趣。這項工作由上海交通大學教授賈金峰領銜，他們在清華大學薛其坤院士的工作基礎上，即利用超高真空分子束外延技術在鈦酸鍶襯底上成功制備出單個原胞厚（0.55納米）的鐵硒超導薄膜，發現了109K超導證據。這也是目前發現的最薄的高溫超導體。

　　有美國物理學家稱，中國科學家的這項成果一旦證實，必將非常轟動，引起世界矚目。

　　“找高溫超導體是一個目標，另外一個目標是解決非常規超導體的機理問題，這也是物理學家非常關注的。”丁洪表示，目前國內的超導研究，包括材料制備、物性測量、理論解釋，都走在世界相當領先的位置。“美國能源部在中美之間找平等互補的領域合作，最后選了超導，因為他們覺得這是中國能跟美國‘叫板’的領域。”