中科院物理所“超导”研究探秘


位于北京中关村地区保福寺桥南的中国科学院基础科学园区,那里有一个数学所,曾经是数学家华罗庚与陈景润工作过的地方;那里还有一个理论物理所,两弹元勋彭桓武以及周光召等人就曾经在这里工作。数学所还有一个独立的研究中心,那就是晨兴数学研究中心,是由国际著名的大数学家丘成桐院士等人筹资修建的。理论物理所也有一个独立的研究中心,那就是卡弗里理论物理研究中心,诺贝尔奖得主比如戴维.格罗斯等人就经常出现在这里。

毫无疑问,这个小小的院子里汇聚了一批全中国乃至全世界最顶尖的科学家。

在中科院基础科学园区里,规模最大的研究所就是中国科学院物理研究所,以其为载体的凝聚态物理国家实验室,是国家最重要的凝聚态物理研究基地,具有国际一流的研究水平。不久前,李克强总理考察中关村,第一站就是物理研究所。物理所第一个国家级实验室就是大名鼎鼎的超导国家重点实验室,是中国基础科学研究的一支王牌之师。

这是北京的一个盛夏,整个基础科学园区显得十分安静,阳光晒在树叶上在地上投下斑驳的光影,外面的喧嚣世界街楼市井似乎也与这个方外之地无关。院子里近千名科研人员正悄然奋斗在科学的最前沿,他们在为探索宇宙世界的基本秘密而孜孜不倦地努力。就在这里,蝌蚪君专访了物理研究所的超导国家重点实验室。

超导国家重点实验室的铭牌挂在物理所D楼一层的角落,因年代关系显得有点陈旧,从历史与现实的沧桑中走来,这里沉淀了几代学人的学识,情怀与追寻。蝌蚪君从简介海报上了解到,超导国家重点实验室前身是物理所超导材料研究室,主任是李四光先生的女儿——著名物理学家李林先生。1991年4月,趁着高温超导研究掀起的热潮,超导国家重点实验室正式建成。以赵忠贤院士为代表的老一辈超导物理学家在极其艰苦卓绝的条件下开创起了中国超导研究的“国家队”,后来因为在铜基和铁基高温超导领域的杰出贡献,物理所的超导队伍先后2次荣获国家自然科学一等奖。

超导是20世纪初最重大的科学发现之一。1908年,大多数中国人还没有用上电灯的时候,荷兰的物理学家昂纳斯在莱顿实验室成功将最后一个“顽固”的气体——氦气液化。所谓“液化”,就是把气态变成液态。 在当时昂纳斯得到了那时世界上最低的温度——4.2 K(0℃=273.15 K,4.2 K即约-269℃)。依靠低温这个“秘密武器”,昂纳斯测量不同金属材料在低温下的电阻,并于1911年发现了新物理——超导现象。超导指的是某些材料在温度降低到某一特定温度的时候,其电阻突然消失为零(零电阻)且外部磁场被排出体外(完全抗磁性),同时具备这两种特性的材料称为超导体。有了这种材料,电路中电流消耗的焦耳热量为零(用初中物理的语言,这叫做额外功为零),这极大地提高了电流利用效率。而强大的抗磁特性则可以用于超导磁悬浮,利用此技术的列车比高铁还要高速安全稳定得多。

百余年来,无数聪慧的科学家被超导的神秘特质所吸引,很多人在这个领域里做出历史性的贡献。超导研究历史上至少有10位科学家先后6次获得诺贝尔物理学奖。他们,尤其是昂纳斯的成功经历告诉我们,对基础物理研究而言,除了常年的坚持不懈和勤奋努力外,良好的实验室条件也是非常重要的因素,否则要做出原创性的重大发现是很困难的。

如今的超导国家重点实验室,已经发展为一个集材料探索、物性表征、机理研究、前沿应用等多方面能力的研究基地。蝌蚪君有幸参观了几个代表性实验室,并采访了在超导实验室科研一线工作的几位年轻科研工作者。

(罗会仟老师光学浮区单晶炉上做实验)

罗会仟副研究员告诉蝌蚪君,超导材料听起来很神秘,其实并没有那么稀奇。“元素周期表里的绝大部分金属甚至是非金属单质都是超导材料”,他解释道,“不过,前提是——必须要足够低的温度或者加上足够高的压强”。

超导材料需要低温环境是个硬伤,在应用中需要靠消耗昂贵的液氦来维持。因此探索新超导材料的最重要的目的就是提高超导临界温度,寻找液氮(蝌蚪君注:本文一开始我们介绍的昂纳斯搞的是液氦,液氮比液氦温度高不少,而且氮气比氦气便宜啊,空气中到处有大量氮气)温区甚至更高临界温度的实用超导体一直以来都是超导材料研究的首要任务。

尽管目前已经发现数千种超导材料,遍布元素单质、金属合金、金属间化合物、过渡金属氧化物甚至是无机物等各种物质形态,但是真正称得上“高温超导体”的只有两大家族——铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体。需要特别注意的是,这里所谓“高温”其实并不是人们想象中的象太阳或者象火炉那样的几百上千摄氏度高温,而是指代“液氮温区”。有时候物理学家也通常将40 K(零下233度)作为高温超导体的“门槛”,这是传统金属在常压下的超导临界温度上限——称之为“麦克米兰极限”。

那么,如此神奇而又有趣的超导材料是如何合成和制备的呢?

超导应用材料的形态大致有块材、粉末、线材、带材和薄膜等,对于超导科学研究而言,主要就是多晶粉末、单晶和薄膜三类。大部分超导体的制备其实并不难,罗会仟老师告诉蝌蚪君:“就是用一个电炉,把各种材料放到容器里,然后高温烧制出多晶或长出单晶来,这个过程就好像炒菜一样。” 说完,他就与李春红老师一起带蝌蚪君去看了烧制超导体样品的炉子。不同的超导材料需要用到各种不同功能特点的炉子,最简单的箱式电炉可以用来制备多晶粉末样品,而像多温区管式炉、竖式晶体炉和光学浮区炉则主要用来生长单晶样品,至于薄膜材料则需要用到磁控溅射、脉冲激光沉积甚至分子束外延等更加精密的手段。“制备超导材料就是培育你的孩子一样,需要细心和耐心。在经历无数次失败而成功做出来样品的时候,那种喜悦感和成就感是最幸福的!“李春红老师解释道。

(李春红老师介绍烧制超导样品的炉子)

烧制出来的超导体样品,它的物理特性怎么样呢?到底具备不具备超导的性质?超导临界温度和抗磁体积是多少?什么样的电子结构和自旋结构会造成超导电性呢?要想认识清楚这些事情,就需要有先进的科学仪器。超导国家重点实验室里拥有各种研究超导的“雄兵利器“:X射线衍射仪可以标定材料的晶体结构、多功能物性测量仪可以测量其电磁热等基本物性、角分辨光电子能谱仪和红外光谱仪可以测量材料中电子的能量和动量分布、扫描隧道显微谱仪可以在原子尺度上观测细微结构和电子态、中子散射谱仪和核磁共振谱仪则可以告诉我们材料中的原子核与电子自旋“在哪里”和“在干嘛”。

赵林副研究员向蝌蚪君介绍了角分辨光电子能谱仪器。就在不久前,李克强总理就曾经来过这个实验室近距离视察过这几款高大上的仪器。角分辨光电子能谱仪,靠的是爱因斯坦解释的光电效应原理,将一束光照射在样品表面打出电子来,通过分析电子的能量和动量分布来获知材料内部电子信息。从2006年成功搭建世界上第一台真空深紫外激光角分辨光电子能谱仪,到现在这个实验室已经具备3台不同功能的谱仪,并正在建设新的一台极低温和大动量范围的谱仪,它们都具有自主知识产权。“有了这些先进的角分辨光电子能谱仪,我们就可以知道超导材料的电子结构,这是超导机理研究的重要一环。“赵林老师说。

(赵林老师与研究生正在用角分辨光电子能谱仪做实验)

李政副研究员向蝌蚪君介绍了核磁共振谱仪。核磁共振技术在医院里已经很常见了,但他们主要用来做成像,关注的是空间形貌。”我们是通过原子核来探测电子的信息,判断电子是否参与超导以及以何种形式形成超导,“李政说,”这是研究超导机理的重要内容。”99

(李政老师正在用核磁共振仪做实验)

单磊研究员在物理所工作已经14年了,他见证了超导实验室这些年来的迅速发展。单磊老师向蝌蚪君介绍了他的看家宝贝——扫描隧道显微谱仪。这种仪器工作原理来自于量子力学中的隧道效应——电子有一定的几率可以穿越真空势垒,就像中国古代传说中的“茅山道士、穿墙而过“一样。依赖隧道效应,就可以通过测量针尖和样品表面之间隧道电流大小认识材料中的电子分布,就像用一只极小的手去直接“感知”和“触摸“原子一样。不仅如此,通过调节偏置电压,还可以让不同能量范围的电子参与隧穿,从而得到电子的能量分布的相关信息。原子间距只有纳米级别,因此这个仪器的探针是需要非常精密控制的。为了保证针尖的稳定性,整个仪器放在了隔声室里,测量杆安装在一个两级空气弹簧减震系统上,然后整个系统放置在一个与周围地面相隔离的沉重的大水泥台上,最终把四环上车流、周围人走路、屋外人说话等各种干扰因素都尽量屏蔽掉,达到了谱测量的原子级的分辨率和高稳定度,只为一窥超导材料中电子的空间和能量分布。

(单磊老师正在用扫描隧道显微镜/谱仪做实验)

罗会仟老师领着蝌蚪君还参观了超导实验室其他仪器设备,如X射线衍射仪、多功能物性测量仪、超导量子干涉仪等,这些仪器都面向全物理所乃至社会开放,是中关村地区仪器平台众多设备中的一小部分。仪器设备的开放共享避免了资源浪费,有效利用了科研经费,也让更多的人有机会接触到这些科学设备。“我们还有一个研究超导的‘重型武器’“,罗会仟老师告诉蝌蚪君,”这个大家伙在物理所放不下,得去房山的原子能科学研究院。“原来,他所说的”大家伙“就是中子散射谱仪,一类必须依赖于核反应堆或散裂中子源等大科学装置的大型科学仪器。中子不带电,但有磁矩(就是说相当于一块磁铁,有南极北极),质量又和原子核相当,是探测材料内部原子排列分布和自旋结构以及它们动力学的重要手段。高温超导材料的母体往往都具有反铁磁性,要理解超导电性的起源,必须先从磁性入手,认识清楚磁性和超导性是如何相互依存的——这两者就好像是一个人的动物性与社会性一样,是相互转化相互依存而且很复杂的。

物理所在中国先进研究堆上建设了国内第一台用于非弹性中子散射的高性能三轴谱仪,他们给这台重达数十吨的大家伙取名”翠竹“,并在仪器上贴上了富有特色的竹子水墨画。”像中子散射谱仪这类大科学装置,是面向全世界科学家开放的——翠竹欢迎你,每个人都有科研的权利,“罗老师笑道。

(“翠竹”热中子散射三轴谱仪)

无论是超导材料探索还是物性和机理研究,最终都要服务于超导应用,即让基础科学研究为社会带来福利。鉴于目前发现的超导材料临界温度都比较低——零下100多度,所以还是很冷很冷的温度——蝌蚪君对超导应用的前景还真是捏一把汗。接来下在超导技术应用中心的参观彻底打消了蝌蚪君的顾虑。

提到超导应用,首先想到的就是零电阻效应,这使得超导导线具有无损耗运输电流的性质。利用超导线材建造的大功率发电机、电动机、变压器、限流器和储能系统,将能极大地提高电能的利用效率,让宝贵的能源发挥更加持久的效益。利用可以承载大电流的超导线圈制作的各种超导磁体其实已经在社会上有广泛的应用。如今医院里的高分辨核磁共振成像仪都是采用了具有较强磁场的超导磁体。受控热核聚变中关键的部件就是超导线圈提供的强磁场,如果这类“人造小太阳“研制成功,将彻底改变世界的能源格局。前两年发现Higgs粒子的功臣——LHC装置,其加速通道和探测器都是超导磁体。

超导还有另一方面的重要应用——超导弱电应用。这里包括以超导比特为单元的超导量子计算机、超导单光子探测器的、超导量子干涉仪和超导微波器件等。蝌蚪君在超导应用技术中心见到的,正是超导微波器件的制造实验室。

边勇波老师向蝌蚪君介绍了他们正在做的一款高性能的微波滤波器,因为应用到了高温超导材料,所以这个微波滤波器的通带边缘很陡峭,类似于一个门函数,而不象传统的滤波器在通带的边缘有一个缓慢上升的过程,这极大的提高了微波通讯的质量。因为该超导滤波器需要制冷机,所以目前其价格还比传统滤波器要贵不少。不过超导滤波器的技术已经走向成熟,国内已经有一些商业化的公司专门订制生产滤波器,在航空航天、军事通讯乃至民间移动通讯中都有重要用途。

(边勇波老师在高温超导滤波器制备系统做实验)

虽然超导研究已经有上百年的历史,但超导的微观理论机制还是一个无尽的前沿。超导研究总是在不断为凝聚态物理本身注入新的活力。这个领域的研究,其前景是非常伟大而深远的,它甚至会给社会生产力带来革命性的推动力量。中国科学院物理研究所超导国家重点实验室的科研人员,正在以他们的实际行动实现创新,努力探索新超导材料并揭示其超导机理,让更多老百姓走近超导、理解超导、用上超导,也许这也是中国梦的一部分。


下载APP 关注微信

下一篇 科技部调研我市创新型产业集群建设工作

留言

登录后反馈信息,可以获得积分奖励,是否现在 登录

分享