超導，人類無法解釋的機制，或揭示宇宙的核心秘密

歡迎收看老名的頻道 1911年春 荷蘭萊頓大學的海克昂內斯教授 主持了一場人類歷史上從未有過的實驗 他們使用液氦冷卻技術將溫度不斷的下降 當溫度下降到約4.2開 也就是零下268.95攝氏度的時候 奇怪的事情發生了 液氦裏水銀的電阻突然消失了 在常溫世界裏 電流通過電阻一定會有損失 而這個實驗意味着 電流可以在導體中無阻礙的流動 這實在是太奇怪了 接下來的幾年 昂內斯教授繼續做實驗 他發現錫和鉛在超低溫的狀態下 也有零電阻的特性 他給這種現象命名爲超導現象 昂內斯是當初無愧的超導領域的開拓者 他也因爲這一神奇的發現 而獲得了1913年的諾貝爾物理學獎 但是接下來 科學家就陷入到混亂之中了 因爲不是所有的元素都能夠成爲超導體 比如導電性能很好的銅和銀 這兩種元素無論溫度降到多低 也不能夠變成超導體 下面這張圖 就是在元素週期表上列出的 能夠形成超導的元素 看上去就讓人感到非常的迷惑 超導似乎沒有什麼規律可循 超導背後的機制到底是什麼呢 今天我們要講的 就是有關人類研究超導的故事 時間來到1933年 德國物理學家麥斯納產生了一個想法 超導體的電阻爲零 它周圍的磁場會發生什麼變化呢 麥斯納就把丹精錫做成了球體 降溫到超導狀態 他驚奇的發現 錫球周圍的磁場突然發生了變化 磁力線似乎一下子被推到超導體之外了 這說明有一些超導體具有完全的抗磁性 這個發現被稱爲麥斯納效應 什麼叫完全抗磁性呢 做個實驗就說清楚了 把一塊氧化物放在下面 再把磁鐵放在上面 然後倒入液化氮冷卻 很快下面的氧化物就進入到了超導狀態 然後反自然的現象發生了 磁鐵竟然能夠打破地心引力的束縛 被頂起來了 如果動一下磁鐵 磁鐵就會自動的上下翻轉 這表明空氣的摩擦力的確是比較小 爲什麼會這樣呢 就因爲超導體對磁場產生了抗磁性 形成了一個反向的磁場 抵消了外部磁場 這就是一種典型的麥斯納效應 隨後科學家們再次陷入到混亂之中 因爲不是所有的超導體都有完全抗磁性 有些超導體會顯示出磁場侵入的現象 稱爲磁通量穿透 表現爲一種強束縛效應 什麼叫強束縛呢 我們來看下一個實驗 科研人員用磁鐵 做成了一個莫比烏斯環軌道 使用乙貝酮氧化物做成了一輛小車 這輛小車就會繞着軌道上下的跑 小車爲什麼不會掉下來呢 就是因爲磁通量限速穿過了超導體 表現爲既有引力也有斥力 所以小車始終與軌道保持着一定的距離 但是掉不下來 這就使超導體變成了兩種類型 一類是完全抗磁性的 稱爲類型一 還有一類是具有臨界磁場的 稱爲類型二 現在就更亂了 前面我們講了 有些元素有超導性 有些元素沒有 而超導體又分成了兩類 一類完全抗磁 另一類具有臨界磁場 這到底是什麼原因呢 還真有科學家做出了跨越式的貢獻 時間來到1957年 美國物理學家約翰·巴丁 利昂·庫珀 約翰·施利弗提出了第一個超導理論 以他們姓氏的首字母命名 叫做BCS理論 BCS理論是一個非常複雜的理論 它的公式就寫成這個樣子 簡單的解釋是這樣的 在固體中 原子會呈現一種週期性的排列結構 稱爲晶格 晶格的外面被電子包圍 如果我們給導體通電 電子就會向一個方向流動 但是現實情況是 電子在流動的過程中 會不斷的撞擊晶格 這不就產生熱量了嗎 有時候我們插上電源 能夠感受到插座或者電線有熱量 就是這個原因 內部撞擊越猛烈 熱量產生的越大 說明能量正在因爲阻力而產生損耗 這也是傳統電網有巨大損耗的原因 導線越長 導線的電阻係數越大 能量損失的就越多 降溫是一個特別有效的辦法 降低溫度 會使導體晶格的穩定性增強 當溫度低過臨界值以後 晶格已經非常穩定了 帶負電的電子經過晶格時 會將臨近的晶格微微的吸引過來 這些晶格就會產生一個正電區域 這時就會吸引另一個電子來補充 晶體中的振動頻率和振動形式成爲生子 生子在固體物理學很重要 它可以描述熱傳導 熱容和升雪等星辰 在電子生子的相互作用下 一對電子可以在晶格中 產生一個穩定的態勢 其中每個電子的自旋方向相反 兩個帶負電的電子之間就產生了吸引力 稱爲庫珀對 庫珀對一出現 電子的性質就變了 我們爲什麼不能成爲勞山道士 可以穿牆而過呢 就是因爲電子是費米子 它在原子中佔據不同的能級和軌道 形成了電子殼層結構 雖然原子中間空隙巨大 但是都被電子雲佔據了 所以我們不能穿牆 庫珀對是電子產生了玻色子的性質 它們都處在最低的能級上 所有電子都傾向於形成一個整體 稱爲玻色愛因斯坦凝聚態 這裏面有一些概念的確不好理解 感興趣的朋友可以看一看 我前面做的節目同步 這裏就不再多解釋了 庫珀對使電子形成了一種超流的狀態 電子就可以暢通無阻的通過導體 這個時候導體就顯示出超導性與抗磁性 也就變成了超導體 BCS理論非常厲害 爲什麼 因爲人們可以使用BCS理論進行計算 比如說在超導態下的電子能譜 電子密度和超導體的臨界溫度 這些都能通過BCS理論計算出來 科學界一片沸騰 現在看來超導問題似乎已經解決了 這三位科學家也因爲這個重大的發現 獲得了諾貝爾物理學獎 通過BCS理論計算 物理學家認爲 超導溫度的臨界值不會超過33開 到現在超導問題真的解決了嗎 早着呢 30年後超導界又開始產生混亂了 時間來到1986年1月 德國科學家貝德諾爾茨 和瑞士科學家卡爾米勒發現 一種陶瓷性的金屬氧化物 在低溫下可以變成超導體 這是一種絕緣體 稱爲貝蘭銅氧化物 絕緣體能夠變成超導體 已經夠驚人的了 但是更驚人的事情還在後面 他們驚訝地發現 貝蘭銅氧化物居然在33開的溫度時 還能夠保持超導性 這個溫度已經是BCS理論的極限了 他們的發現非常重要 從此開啓了同級高溫超導體的時代 這兩位物理學家因爲這項重要的發現 在第二年的1987年就獲得了諾貝爾獎 這種閃電頒獎的行爲 在諾貝爾獎的歷史上非常罕見 爲什麼第二年就給他們頒獎呢 第一是因爲這個實驗的結果非常確定 是板上釘釘的事兒 不會被推翻 第二點就是這兩位科學家不走尋常路 他們的思路非常的奇特 一般人都想着用導體去做實驗 他們偏要用絕緣體做實驗 這是非常了不起的 這是一種開拓性的思路 諾貝爾獎就是要鼓勵這種絕對的開創性的精神 跟隨着這兩位科學家的思路 1987年華裔科學家朱金武 與中科院物理研究所的科學家趙忠賢 在乙備酮氧矽材料上 相繼把臨界超導溫度提高到了90開以上 在這裏咱們再稍微講幾句題外話 我認爲科學家分爲兩類 一類稱爲科學探險家 比如說青黴素的發現者 亞歷山大弗萊明 宇宙微波背景輻射的發現者 彭齊亞斯和威爾遜 他們是科學的發現者 沒有他們的發現 我們便用不上青黴素 也無法證明宇宙大爆炸理論 另一類稱爲科學大師 比如牛頓和愛因斯坦 他們提出的數學公式 可以解決引力與時空的問題 每一次火箭點火 每一次星際探索 每一次大家用手機導航 都是在應用牛頓 與愛因斯坦的公式 科學大師能夠透過現象 直指問題的本質 他們發明的公式與定理 具有普適的性質 只要按照公式計算 就能夠解決 所有的同類型的問題 而且是百事不爽 所以他們被稱爲科學大師 我們華裔科學家的強項是什麼呢 沉得下心 非常細緻 不怕苦 不怕累 比如說朱金武和趙中賢 在別人發現 同激高溫超導體後 他們可以不斷的去試 千百遍的去做實驗 找到更高的超導溫度 這也是非常了不起的 但這畢竟不是開創性的發現 所以在華人科學家裏 楊振寧真的是非常了不起的一位 他提出的楊米爾斯理論 是有公式的 可以計算基本粒子的相互作用 他和李正道提出的 宇稱不守恆線下更了不起 讓我們認識到 在宇宙的不同尺度和層次上 對稱性的破缺經常出現 加深了我們對宇宙的理解 但是我們華人科學家 能夠成爲科學探險家的 就是有開創性發現的 非常的少 能夠成爲科學大師的 更是少之又少 這是爲什麼呢 有一個很重要的原因 就是我們的好奇心 似乎少了一些 我們的教育體系 不太鼓勵人有好奇心 所以在根上 可能還是教育的問題 說回到超導 銅基氧化物 不斷提高超導的臨界溫度 緊接着人們又發現了 鐵基氧化物 屬於另一類材料 超導的臨界溫度 可以達到77開 相當於零下196.15攝氏度 剛纔我們講了 通過BCS理論計算 認爲超導的臨界溫度 最高不能超過33開 現在都到77開了 這怎麼解釋呢 沒有辦法解釋 超導界又開始產生混亂了 但是別急 還有更糟心 更混亂的事 早在1925年 科學家就發現 壓強對超導性有影響 後來過了40年 都沒有取得顯著的進展 在BCS理論問世後 高壓下的超導問題 也取得了重大的突破 比如說半導體硅 本來是沒有超導性的 但是給它加壓到120千帕以後 再把溫度降到6.7開的時候 硅就變成超導元素了 目前發現的最典型的材料 是硫化氫 硫化氫在150G帕 也就是150萬標準大氣壓下 在203開 相當於零下70攝氏度的時候 就會發生超導相變 讓人琢磨不透的是 硫化氫又屬於傳統的 BCS超導體 超導現象的確是詭異莫辯 我們簡單的回顧一下 首先什麼元素能夠形成超導體 沒有規律可言 第二在抗磁性上 超導體又分成了兩類 分成一型超導體和二型超導體 第三除了導體 絕緣體也有超導現象 第四除了溫度 某些材料加壓也會形成超導體 但不是所有的材料加壓都能行 超導研究已經有100多年的歷史了 人類試驗了成千上萬種材料 頭疼的是 超導沒有固定的規律或規則 科學家們仍然說不清 超導背後的機制到底是什麼 很多科學家認爲 人類對於超導現象的認識 就像是蒙人摸象一樣 直到今天 我們只是看到了超導的局部現象 也有人說 也許超導是一種思維空間的運行規則 在三維世界裏 我們永遠也不能瞭解它的真實面目 就在科學界無計可施的時候 轉機突然到來了 時間來到2018年3月 世界頂級科學期刊自然 連續發表了兩篇論文 作者是一位在麻省理工學院 就讀的中國學生 年僅21歲的曹源 曹源通過實驗發現 兩層石墨烯以1.1度的偏轉夾角疊起來 可以在1.7開的溫度下實現超導 要想了解這個發現的重大意義 我們先得搞清楚石墨烯是什麼 2004年的時候 英國曼徹斯特大學的兩位教授 安德烈·蓋姆和諾沃·肖洛夫 想尋找一種剝離單層石墨的方法 但是他們使用傳統的方法 怎麼都剝離不出來 他們就想到了一種非傳統的辦法 用膠帶反覆粘石墨 通過反反覆覆的粘貼 他們還真的從石墨中 得到了一種非常薄的材料 對這個材料進行詳細研究 他們發現這是一個 類似蜂窩狀的金格結構 他們還真的得到了一個 單層碳原子組成的結構 因爲它只有一個原子的厚度 所以這是一個二維結構 這真的是太神奇了 這個新發現被稱爲石墨烯 石墨烯是人類發現的 第一個二維結構 對材料科學和大米技術 都產生了深遠的影響 這兩位教授也因爲這一發現 獲得了2010年的 諾貝爾物理學獎 石墨烯本身是沒有超導性的 但是曹源和他的團隊發現 把兩層石墨烯疊在一起 中間形成一個只有1.1度的 很小的偏轉夾角時 這個兩層石墨烯就會實現超導 這個事的關鍵在哪 關鍵就在於思路太新奇了 通常的思路是拿到石墨烯了 先降溫再加壓試一下 如果沒有超導性就算了 但是曹源想到使用兩層石墨烯 然後用不同的角度去嘗試 他這種思路一般人真的想不到 而且居然真的在1.1度的 偏轉夾角上產生了超導性 這的確是一個神奇的角度 他們就稱這個角度爲魔角 曹源的發現到底有什麼重大的意義呢 諾貝爾獎得主 著名物理學家羅伯特·勞弗林 這樣評價 他說這個發現給出了 一個令人目眩的暗示 因爲二維結構已經是最簡單的結構了 這個發現能夠啓發科學家們 去尋找超導的成因 也許這個成因根本沒有想象中那麼複雜 超導這些奇怪的沒有規律的現象 最終應該可以用一個簡單 優美的理論來解釋 但是非常可惜 距離2018年都過去這麼多年了 科學家們仍然還在尋找超導理論的路上 客觀的說 曹源現在已經是一位合格的科學探險家了 如果他能夠在理論物理上再前進一步 使用數學來解釋超導的機制 那麼他得諾貝爾獎絕對是當之無愧的 他也稱得上是科學大師了 在這裏也祝願曹源和他的團隊 能夠取得突破性的成果 超導技術已經有非常廣泛的應用了 比如說磁共振成像MRI 就是使用超導磁體生成強大穩定的磁場 可以生成高分辨率的體內圖像 像磁懸浮列車 能源輸電 粒子加速器 都會使用到超導技術 未來還會應用到超導量子計算 超導磁測等方方面面 其實除了應用 研究超導還有更重大的意義 就是能夠加深我們對宇宙的理解 超導到底是什麼 超導的實質是一種奇怪的 在常溫和常壓下 我們不知道的電磁現象 研究超導可以幫助我們 進一步瞭解電磁力的本質 我們都知道宇宙只有四種力 引力 電磁力 強相互作用力和弱相互作用力 這四種力到底是怎麼產生的 我們根本就不清楚 研究電磁力 不但可以讓我們知道 帶電粒子之間的相互作用 也能夠解釋光的傳播現象 歸根到底 萬物的產生 也一定有一個非常簡單 非常優美的開始 那個開始到底是什麼樣的 這一直是我們人類想要追尋的問題 我想在1911年 海克昂內斯教授 第一次發現超導現象的時候 他一定沒有想過怎樣商用 怎樣變現 他就是單純的想試一下 拱在超低溫下 到底會發生什麼情況 電阻到底是變大了 還是變小了 沒想到他看到了我們這個星球上 最神奇的現象之一 這就是好奇心的作用 所以我們一定要對世界保持着好奇心 因爲好奇心與求知慾 纔是人類科技發展的第一推動力 好了 今天的故事就分享到這裏 別忘了關注老明的頻道 我們下期節目再聊