物理学家们为了阐明超导体的机理,提出了多种理论,包括1935年提出的,用于描述超导电流与弱磁场关系的London方程,1950到1953年提出的,用于完善London方程的Pippard理论,1950年提出的,用于描述超导电流与强磁场(接近临界磁场强度)关系的GL理论;1957年提出的,从微观机制上解释第一类超导体的BCS理论……一直到现在,科学家开始提出通过量子相变实现超导的新机制:即量子自旋霍尔绝缘体的拓扑缺陷凝聚形成超导体。
这里面,比较重要的就是GL理论和BCS理论。
GL理论是在朗道二级相变理论的基础上提出的唯象理论。
理论的提出者是京茨堡和朗道。
GL理论的提出是基于以下考虑:当外界磁场强度接近超导体的临近磁场强度时,超导体的电流不服从线性规律,且超导体的零点振动能不可忽略。
GL理论的最大贡献在于预见了第二类超导体的存在。
从GL理论出发,可以引出表面能κ的概念。
当超导体的表面能κ>1/√2时,为第一类超导体;当超导体的表面能κ<1/√2时,为第二类超导体。
BCS理论则是以近自由电子模型为基础,以弱电子-声子相互作用为前提建立的理论。
理论的提出者是巴丁(***ardeen)、库珀(.Cooper)、施里弗(.Schrieffer)。
BCS理论认为,金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流。
简单地说,我们可以把电子比喻成一只只有一个翅膀的小蜜蜂,这样的小蜜蜂是飞不起来的,但两只这样的小蜜蜂结合在一起,翅膀一左一右煽动,就可以飞起来了。
对于库珀对产生的原因,BCS理论做出了如下解释:电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷,导致格点的局部畸变,形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子,和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下,这个结合能可能高于晶格原子振动的能量,这样,电子对将不会和晶格发生能量交换,没有电阻,形成超导电流。
BCS理论很好地从微观上解释了第一类超导体存在的原因,理论的提出者巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年诺贝尔物理学奖。
但BCS理论无法解释第二类超导体存在的原因,尤其是根据BCS理论得出的麦克米兰极限温度(超导体的临界转变温度不能高于40K),早已被第二类超导体突破。
直到现在,物理学界也没有形成一个获得普遍认可的超导形成机制。
至于在高温超导体的探索上,学术界倒是取得了不少进展。
1986年,缪勒和柏诺兹发现一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4具有高温超导性,临界温度可达35K(﹣℃)。
由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质,因此这个发现的意义很大,缪勒和柏诺兹因此而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。
此后,高温超导的研究迅速发展。
在中美等国科学家的推动下,该记录在五年内不断刷新。
并于1994年创下了常压135K,高压164K的临界温度新纪录。
然而,铜氧化物高温超导材料属于氧化物陶瓷,缺乏柔韧性和延展性,容易在承载大电流时失去超导电性而迅速发热,应用起来存在许多技术难度。
而且,其物理性质及其复杂,难以被现有理论框架解释。
到了2008年,日本科学家发现了铁砷化物体系中存在26K的超导电性,在中国科学家的努力下,这类超导材料的临界温度很快突破了40K,甚至在块体材料中实现了55K的超导电性。
于是新一代超导家族铁基超导宣告发现。
只是这类超导体大多含砷或者碱金属,对空气敏感,应用方面同样存在很多的局限性。
至于室温超导体是否存在,目前学术界普遍是认为存在的,日本科学家甚至将寻找到400K以上的超导体作为其远景目标。
但要百分之百确认一个室温超导体的存在,却不是一件容易的事。
毕竟要判断一个新材料是否是超导体,必须同时具备零电阻效应和完全抗磁性两大特征,电阻不降到零或者抗磁性很差都不能百分之百断定是超导。
历史上,有多个“超导体”因为没有确切证据,而被科学家戏称为可疑超导体,简称USO,和传说中的UFO有的一拼。
在这些USO中,有的宣称达到了200K甚至400K都有超导电性,却从来没有被更多的实验证明过。
甚至有些人为了谋取个人利益,干脆进行学术造假。
比如一位叫做简·亨德里克·肖恩的德国人,曾经在2001年疯狂灌水,声称在C60等材料中发现了52K以上的高温超导电性以及其他一系列电子器件应用,其论文产出效率达到了每八天一篇的速度。
最终,物理学家们发现他的论文几乎全部都进行了数据造假。
Science系列杂志2002年撤稿七篇,Nature系列杂志2003年撤稿八篇,其他学术期刊也纷纷撤稿数十篇。
后来他的母校看不下去了,撤销了他的博士学位,这桩丑闻轰动了整个学术界,肖恩也被称为物理学界五十年一遇的大骗子。
虽然如此,学术界对于室温超导体的热度始终不减。
特别是近年来,几乎每个月都有新的超导体被发现。
其中比较重要的有2015年,德国科学家.Drozdov发现了硫化氢在200万个大气压下具备203K的超导电性,但如此苛刻的条件,也就只能在实验室里才能完成。
到了2019年,.Drozdov团队又证实了压强为100万个地球大气压强时,各种富含氢的镧系金属氢化物在250K也就是零下二十度左右变成超导体。
可以说,在实验室层面,距离真正意义上的室温超导体只一步之遥了。
另外一个比较重要的发现,则与中国人有关。
2018年,麻省理工JarilloHerrero团队在实验中发现,双层石墨烯在扭转角度度,温度时,出现了超导现象。
这篇论文的第一作者是麻省理工博士生,一位1996年出生,来自中国的天才少年曹源,当年他凭借这一发现,荣登《自然》2018年度影响世界的十大科学人物榜首。
双层石墨烯超导的临界温度很低,只有,基本不具备实用价值。
这一发现之所以重要,因为它呈现了一种全新的物理现象,和其他超导材料完全不同,这对超导原理的解释以及寻找高温超导材料意义重大。
花了将近一周的时间,庞学林梳理完现实世界关于超导体的研究现状,得出的结论就是:电磁相互作用的对称破缺必然导致电子集群运动的变化,从而触发超导现象。
这是超导在实用领域的一个定义,也是学术界关于超导体的唯一一个共识。
至于理论方面的解释,那就八仙过海各显神通了。
……
梳理当前超导体材料的研究现状,只是庞学林的第一步,接下来,庞学林还要把自己从乡村教师世界、黑暗森林世界以带回的相关技术论文全部研究一遍。
乡村教师世界,庞学林获得了源自碳基生命联盟的量子计算机技术;黑暗森林世界,他获得的则是电磁轨道推进技术以及空天飞机技术全套资料。
此前庞学林一直没时间进行仔细研究,因此,他需要闭关一段时间,将这些技术全部进行消化吸收后,才能真正开始部署电磁轨道推进技术以及空天飞机技术的研发工作。
而且,庞学林有百分之八十的把握,从这些资料中获得室温超导体的相关线索。
这天上午,庞学林刚抵达办公室,就对左亦秋道:“小左,帮我看一下今后一周的行程安排。”
“庞教授,10月12日,也就是明天上午您要出席金龙集团首座金龙电池工厂的落成仪式,后天江大庞学林数学中心正式揭牌,您也得参加,10月15日到20日,是钱塘实验室以及江城高等研究院集中面试时间,到时候会有超过一百位从全球各地赶过来的学者与您会面……”
庞学林沉吟片刻,抬头道:“诺贝尔奖颁奖典礼是什么时候?”
“12月10日。”
庞学林道:“帮我把从10月21日到12月8日这段时间空出来,这段时间我要闭关,不要让任何人打扰到我。”