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要颠覆整个物理界?印度科学家发布室温超导重磅成果

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发表于 2018-9-15 07:17:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近,印度科学界正处于一个非常时期:如果一篇新论文通过《Nature》的审核,那么印度将迎来其继拉曼效应后又一个世界重磅科学贡献。
  7 月 23 日,论文预本网站 arXiv 上面出现了一篇论文,标题翻译过来是:《室温和常压下超导体存在的证据》,作者是印度科学院固体物理和结构化学系的 Anshu Pandey 教授和他的博士生 Dev Kumar。他们在论文中声称,在室温和常压下,一种由金和银构成的纳米复合材料显现出了超导的特性。

  室温超导一直是学术界研究的热门话题,这个奇特的性质几度在科幻与现实之间摇摆,可望而不可及,很多物理学家愿意终其一生去寻找室温超导的答案。过去的几十年里不乏有关于“室温超导”的论文发出,每次都会引起学界不小的讨论。最后往往是讨论尘埃落定,大家铩羽而归。

  

  图丨 Anshu Pandey(来源:印度科学院官网)

  论文发出后,印度凝聚态领域的理论物理大牛们难掩兴奋,毕竟这可能为印度带来又一项诺贝尔物理学奖。上一个获奖的印度人是著名的物理学家钱德拉塞卡拉•拉曼,他因著名的拉曼效应使他成为 1930 年诺贝尔物理学奖得主。

  理论物理学家 Vijay B。 Shenoy 在一次报告会上说为这项实验背书:“这很超导,如果实验属实,这种神奇材料背后的原理肯定会是一种全新的超导理论。”

  另一位印度超导研究的权威 T.V.Ramakrishnan 对媒体表示:“我认为,这个实验是真实的,很显然,电阻和磁化率的数据符合超导的要求,它们之间也吻合得很好。至于其背后的原理,当然是重要的,但也可以稍后做探索。至今人们为超导的原理还争论不休。”Shenoy 也补充到:“凝聚态领域几乎所有重要的理论都要晚于实验结果。”

  然而鉴于此次研究的重要意义,文章曝出后也引发学术界的热烈讨论,其中不乏对室温超导的质疑。一些实验物理学家认为,本次研究并不能成为发现室温超导的直接证据,而只是指出了一种可能性。

  更有麻省理工学院的学者指出,其文中的两组相互独立的关键数据竟出现完全一样的随机测量误差。这在科学界,就像是连续两期六合彩竟开出完全相同的中奖号码。

  

  图 | 一块磁铁漂浮在超导体之上(来源:Wikimedia Commons)

  金银混合的纳米颗粒

  先从超导说起吧。

  但凡一种材料都会有电阻。金属的电阻很小,是良导体,因此它们被制成了传导电流的设备,比如铜制的电缆。但是在高压电缆上仍然会有严重的热损耗,如果用超导体制成的电缆就可以完美地解决这个问题。

  超导体,顾名思义,是一种超级导体,电阻为零。超导状态下的材料除了电阻快速降到零,还会有一个显著现象:完全抗磁性,即磁感线无法穿过一个超导体,因为超导体排斥了所有的外部磁场 (在磁场不大的情况下),从而使其内部磁场为零。把一个磁铁放放置于超导体上,它会漂起来,在外力的作用下零阻力的移动。这个现象也叫做迈斯纳效应,对于一个理想的超导体来说,体积磁化率—衡量物体被磁化的程度—为-1。

  理论上讲,超导体是各种电气设备的理想材料,用它制成的电缆可以零发热输送很高的电流,超导磁悬浮列车可以零阻力狂奔,是不是一片另人向往的生活前景?

  只可惜,虽然在过去的一个世纪里人们发现了很多超导体,从单质到复合物,再到复杂的化合物甚至是奇异物质,我们还是没有办法实现这些美好的生活愿景。因为这些超导体无一列外是低温超导,这个低温不是你家冰箱的冷冻室,也不是穿着短裤站在南极的冰面上,而是接近绝对零度 (-273°C) 的低温,这个温度下几乎所有气体都是液态。

  

  图 | 实验中使用的电极,深灰色区域附有金银混合物薄片,薄片有 100nm 厚,黑色的长条长度为 3mm(来源:此次论文)

  那么,Pandey 的团队是在什么样的实验中发现室温超导的呢?

  这个实验说简单也简单,他们将直径为 1nm 的银颗粒嵌入到了金的网格中,并将这种混合物制备成了直径为 10-20 纳米的颗粒。值得注意的是,论文只提及了制作这种混合物的方法叫化学烧结法,对其详细过程并没有作详细描述。这些纳米颗粒进而再被制成薄片,附在电极上面,以方便测量其电阻。

  随着温度的降低,电阻刚开始并没有什么显著的变化,但是当温度降低到 230-240K 的区间时,电阻一下子从 0.7 欧降到了 100 毫欧。报告中说由于仪器精度的限制,他们推测实际的测量值可能还要更低。这意味着每单位长度的电阻将小于 0.1 纳欧,比普通金银的电阻整整低两个数量级。Pandey 估计了临界温度在 236K(-37.15°C)附近。临界温度随外磁场的升高而降低,也符合超导体的特性。

  

  

  图 | 电磁特性随温度的变化。左为电阻,右为体积磁化率。(来源:此次论文)

  在抗磁性方面,Pandey 测量了材料的体积磁化率随温度的变化。发现它在临界温度附近从零降到了-0.06。这个值离理想超导体的-1 还差得很远,不过研究人员给出了一个理由,纯度不够。等效地说材料有 6% 的区域是超导。

  “这个实验做得很干净且有说服力”,数学科学研究所的 GanapathyBaskaran 教授说,“对于粒状超导来说,10%的超导占比已经不低了。”

  物理“圣杯”的争议:夸大其词?数据异常?

  目前为止,236K 的临界温度离室温还有一段距离,Pandey 在论文中仅仅提出了达到室温的一种可能性:降低材料中金的比例。在他们声称的另一项研究中,一块含有较少金成份的样品在温度降到 320K(46.85°C)时,其电阻骤降了三个数量级。这个温度已经要比赤道上很多地方的温度要高了。该样品的体积磁化率为 -0.037,也属于完全抗磁的范畴。

  不过,很多实验物理学家指出,这些证据最多指向了室温超导的可能性,并不能用为发现室温超导的直接证据。

  回到这次的研究上,关于为什么选择金和银做为素材,Pandey 仅仅在论文中说:“本着一种去寻找非声子模型的目的,我们才把注意力转移到用金和银制成的纳米结构的。”面对更多的提问,Pandey 选择了缄默。众多理论物理学家对他的回答采取了一种宽容的态度:“他们用这种材料肯定有其自身的原因,我相信在论文被接受发表之后,他们肯定会透露更多的细节的,”Shenoy 说。

  Ramakrishnan 已经开始动员印度科学家研究 Pandey 实验中的这种金银纳米结构了。“我们还要让化学家们参与进来,因为他们更懂得如何去制备这种纳米材料,而论文的作者也没有提供有用的细节。另一方面,物理学家还要研究这个结构的其它电磁性质,以及光学性质。我确信,世界上已经有好几个研究组着手研究了。”

  但是,在理论物理学家们的支持论调下,Pandey 的真正同行――实验物理学家――却显得更加严谨。一位不愿透露姓名的超导实验物理学家指出,实验的数据不完整,“论文标题是室温超导,而数据却只支持 236K 的超导。是这更像是一项尚未完成的工作,除非他们给 《Nature》 杂志提交了更完整的数据。”实验所能达到的测量精度则更让他纠心。“测量精度最好能达到 1 毫欧(1e-3 欧),也就是说压降精度要达到 1 纳伏 (1e-9 伏)。磁化率的数据也需要更精确。”

  他还指出实验缺乏一项关键数据――场冷却数据。这项数据在实验者先打开测量磁场后将样品冷却时获得。这项数据可以帮助计算出准确的超导区域占比,从而与磁化率进行交差验证。
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