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探索超导未解之谜(图)

2018-08-01 22:25编辑:szlsf.com人气:


  上海最高时速达430公里的磁悬浮列车,中国首次登陆月球的“嫦娥三号”探测器……随着科技进步,超导技术已从实验室进入实际应用。今年年初问鼎国家自然科学一等奖的中科大陈仙辉教授,十年磨一剑—

  本报记者 桂运安

  超导是20世纪最伟大的科学发现之一,也是无数科学家着迷的科研领域。在超导现象发现100余年来,已有10位科学家获得5次诺贝尔奖。超导机理以及全新超导体的探索,已成为物理学界最重要的前沿问题。目前,在探索超导未解之谜中,中科大已跻身世界第一方阵。超导到底是什么,对生活有何影响?记者深入中科大采访,以揭开超导的神秘面纱。

  令人惊叹的超导现象

  高温超导滤波器应用于手机,明显改善通信信号;使用超导磁体的磁共振成像仪器,为医生诊断病人病情提供准确依据;具备体积小、效率高、无污染等优点的世界首个示范性超导变电站,已在我国投入使用。随着科技的进步,超导慢慢改变着人类的生产、生活。

  高温超导,是指某些材料在温度降低到某一临界温度,电阻突然消失的现象,零电阻和完全抗磁性是超导的两大特征。1911年,荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯意外发现,将汞冷却到4.17K(-268.98℃)时,汞的电阻突然消失。由于这一伟大发现,他获得1913年诺贝尔奖。实际上,超导如同量子纠缠一般,既是物理世界中最奇妙的现象,又是当今物理学中最大的谜团之一。为何会发生超导现象?哪些材料具有超导特性?超导能应用到哪些领域?此后100多年来,无数科学家加入到探索超导未解之谜行列,又有9位科学家获诺贝尔奖。

  业内人士指出,超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。比如,由于电阻的存在,当前高压输电会有很大损耗,而利用超导零电阻特性,将来可以制造不损失任何能量的超导电线。超导的完全抗磁性特征,则可以用来制造超导列车和超导船,这些交通工具能在悬浮无摩擦状态下运行,大大提高运行速度和安静性,并有效减少机械磨损。

  在超导研究中,中国起步稍晚。但在铁基超导领域,中国最先确立铁基超导体为新一类非常规超导体,激起新一轮铁基高温超导体研究热潮。中科院国家科学图书馆统计显示,世界范围内铁基超导研究领域被引用次数排名前20的论文中,9篇来自中国,其中7篇来自中科大陈仙辉小组和中科院物理所研究团队,表明中国铁基超导研究已走在世界最前沿。国际权威学术期刊《科学》曾刊发“新超导体将中国物理学家推到最前沿”的专题评述,称“中国如洪流般涌现的研究结果,标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国”。

  铁基超导的中国突破

  今年1月,中科大陈仙辉教授与中科院物理所合作完成的 “40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”,问鼎2013年度国家自然科学一等奖。该研究首次突破40K(约-233℃)麦克米兰极限温度,创造并保持55K(-218.15℃)铁基超导体临界温度最高纪录。13年来,这一奖项曾9次空缺。此次获奖,终结了该奖项连续3年空缺的局面。

  自上世纪80年代以来,中科大始终密切关注高温超导发展,并于1992年成立中科大超导研究所,为我国高温超导领域发展做出重要贡献。此次获奖的5位主要完成人中,有3位出自中科大。其中,陈仙辉中科大博士毕业,现为中科大教授;赵忠贤院士、王楠林研究员均毕业于中科大。 1968年,美国物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体转变温度一般不能超过40K,这个温度被称为麦克米兰极限温度。多年来,麦克米兰极限一直未能突破,直到上世纪八十年代铜氧化物超导体的发现。这类材料转变温度高于40K,被称作高温超导体。 “但它们属于陶瓷性材料,复杂的制作工艺使其大规模应用难以实现。 ”陈仙辉说。 1992年,陈仙辉中科大博士毕业后,,留校建立自己的实验室,从此踏上寻找新一类高温超导体的征途。

  机会总是垂青有准备的人。 2008年2月,日本科学家发现一种临界温度为26K(-247.15℃)的铁基新型超导材料。由于没有突破麦克米兰极限,不能确定是否为高温超导体。基于长期的积累,陈仙辉敏锐意识到,这是一个重要发现。于是,迅速成立攻关小组,仅一个月后,便在国际上首次获得临界温度达到43K(-230.15℃)的铁基化合物超导体,标志着人类发现新一类高温超导体。这项成果发表在国际权威期刊《自然》上,入选当年“世界十大科技进展”,论文迄今被引用次数超过900次,是我国物理学科近十年累计被引用次数最高的论文。

  梦想背后的上下求索

  十年磨一剑,用在陈仙辉身上,再恰当不过。从博士毕业,到发现新一类高温超导体,他用了整整16年。这16年间,由于铜氧化物高温超导体研究陷入低谷,很多科学家纷纷转行,但陈仙辉依然坚守他的科学理想。“做科研,坚持和积累非常重要。只要坚持下去,出成果是迟早的事。 ”他坦言,而爱好和兴趣正是坚持的基础。厚积方能薄发,汇小川方成江海。随后,他在《自然》、《物理评论快报》等著名刊物先后发表多篇高质量论文,并在世界上率先发现稠环芳香烃类有机超导体,使得中科大超导团队跻身世界超导研究第一方阵。

  然而,很多人看到成功的光鲜,却不知背后的艰辛。“平时没有上下班之分,没有工作日和节假日之分,每当有了新的进展或想法,即使深更半夜,陈仙辉也会兴奋地跑到实验室。 ”中科大相关负责人介绍。对此,陈仙辉认为:“科学是严谨的,不能有一点马虎。对事业有激情,甘于坐‘冷板凳’,对新生事物保持好奇心和求知欲,这是做好科研的关键。 ”

  在中科大,陈仙辉是出了名的严师。对于实验数据,他的要求几乎苛刻。“陈老师的眼睛太毒!”在学生汇报研究进展时,只要有一点瑕疵,他立马就能看出来,学生常被问得如坐针毡。“在我的实验室能生存,在任何环境中都能生存。”陈仙辉笑言,虽然对学生要求严格,但绝不压制学生的学术思想。学生有什么科研想法,他常鼓励说 “可以试试”。十多年来,陈仙辉已培养了10名博士,大多已成长为学术骨干。其中,1982年出生的吴涛,已入选中组部“青年千人计划”,成为中科大最年轻的“80后”教授之一。

  重大科技成果的突破,需要“抱团作战”。“单打独斗,可能会出成果,但难以持续。 ”陈仙辉表示,科学研究是水涨船高,只有整体水平提升了,个人才能获得更大成就。“我的梦想,是发现常温超导体。”他展望说,有了常温超导,人类将能住在悬浮的超导屋里,坐上无轨无轮的超导车,手机充一次电能用好几个月,这将极大推动人类文明发展。(资料图片)

探索超导未解之谜

 


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(来源:网络整理)

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